記者從中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所獲悉，該所朱茂炎研究員帶領(lǐng)的“地球-生命系統(tǒng)早期演化”科研團隊在華北燕山地區(qū)16.3億年前地層中發(fā)現(xiàn)多細胞真核生物化石。這些保存精美細胞結(jié)構(gòu)的微體化石被認為是迄今全球發(fā)現(xiàn)最早的多細胞真核生物化石記錄。這是繼2016年在燕山地區(qū)發(fā)現(xiàn)15.6億年前全球最早的宏體多細胞真核生物化石之后，該團隊在早期生命演化領(lǐng)域中的又一項重要突破，將多細胞真核生物出現(xiàn)的時間進一步提前了7000萬年。該成果1月24日在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)進展》(Science Advances)發(fā)表。

當今地球上我們熟知的所有復(fù)雜生命，包括形態(tài)各異的動物、陸生植物、真菌和宏體藻類都是多細胞真核生物，因此真核生物的多細胞化是生命向復(fù)雜化和大型化演化的必備條件，被認為是生命演化史上的重大關(guān)鍵事件之一。然而，真核生物最早何時發(fā)生多細胞化?多細胞真核生物何時在地球上開始出現(xiàn)?截至目前，學(xué)界對這一重大科學(xué)問題并無明確的答案和證據(jù)。

已知化石證據(jù)表明，簡單的微體多細胞真核生物在距今10億年左右的地層中已經(jīng)出現(xiàn)，并開始多樣化，包括紅藻、綠藻和真菌化石等。而在更古老地層中曾經(jīng)報道過的“多細胞真核化石”，因缺乏可靠的生物學(xué)證據(jù)(如多細胞結(jié)構(gòu)和復(fù)雜形態(tài))，它們的多細胞特征和真核生物屬性均存在很大的不確定性，受到普遍懷疑。

2016年，朱茂炎團隊聯(lián)合中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心研究員朱士興等國內(nèi)外同行，在《自然通訊》(Nature Communications)上報道了燕山地區(qū)15.6億年前的宏體多細胞真核生物化石的發(fā)現(xiàn)(Zhu et al., 2016)。這一發(fā)現(xiàn)突破了學(xué)界以往的認知，不僅將地球上大型多細胞真核生物的出現(xiàn)時間從以前認為的6億年前提前了將近10億年，并由此推斷真核生物發(fā)生多細胞化的時間應(yīng)該更早。

為了論證這一推斷，團隊成員苗蘭云在燕山地區(qū)早于16億年前的古元古代晚期“長城系”地層中尋找多細胞真核化石。在長達近8年的時間內(nèi)，對燕山地區(qū)多個剖面點上采集了數(shù)百件長城系頁巖樣品。通過氫氟酸和鹽酸等實驗處理，獲得大量微體化石標本。在發(fā)現(xiàn)大量多種類型的單細胞真核生物化石的同時，終于在河北省寬城縣翁家莊剖面長城系串嶺溝組上部，發(fā)現(xiàn)了微體多細胞真核生物化石。含本次報道化石的地層頂部曾報道有一層火山凝灰?guī)r，其中的鋯石鈾-鉛同位素定年結(jié)果為16.35億年，為新發(fā)現(xiàn)的化石提供了直接的年齡約束。

這批發(fā)現(xiàn)的化石標本一共278枚，它們是由單列細胞組成的無分枝的絲狀體，絲狀體直徑20-194微米不等，最長可達860微米，無外鞘。因保存不完整，完整的絲狀體長度未知。雖然絲狀體整體結(jié)構(gòu)相對簡單，但卻表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性，主要體現(xiàn)在形態(tài)上的變化。有些絲狀體直徑保持不變，細胞呈短柱狀至長柱狀;有些絲狀體整體向一端均勻收縮，細胞呈柱狀、桶狀或杯狀;而有的絲狀體僅一端變細，其余部分直徑不變。

通過測量可以表征絲狀體形態(tài)變化的2個比值(即單個絲狀體中細胞的直徑和長度上的變化)和絲狀體直徑大小分布頻率。結(jié)果顯示不同類型的多細胞絲狀體在形態(tài)上呈現(xiàn)連續(xù)過渡變化的特征，表明它們屬于同一個物種。由于與前人在燕山中部天津薊縣地區(qū)串嶺溝組頁巖切片中報道的“壯麗青山藻”(Qingshania magnifica Yan, 1989)化石形態(tài)和大小相似，本次研究將其歸入同一個屬種。

當初的研究者將這些化石解釋為原始綠藻，或許因為化石圖片不清晰，生物學(xué)解釋的證據(jù)不夠充分，故自1989年報道以來并未引起國內(nèi)外同行的關(guān)注。此次研究中一個重要的新發(fā)現(xiàn)是，壯麗青山藻的部分細胞內(nèi)含有直徑約15-20微米大小的圓形結(jié)構(gòu)，位于細胞的中間或接近橫向細胞壁的位置。圓形結(jié)構(gòu)形態(tài)完整規(guī)則，質(zhì)地均勻，大小和形態(tài)上可與現(xiàn)生的某些真核藻類的無性孢子類比，被解釋為一種繁殖細胞。由此可見，壯麗青山藻是一種通過孢子繁殖的生物。根據(jù)部分絲狀體向一端變細或變粗的特征，可以推測壯麗青山藻可能為營底棲固著的生活方式，雖然目前還沒有見到固著器結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)生生物中，由單列細胞組成的絲狀體生物種類繁多，在原核(細菌和古菌)和真核生物中都廣泛存在。綜合比較絲狀體形態(tài)的復(fù)雜度、細胞大小和繁殖方式，原核生物中并沒有可以與壯麗青山藻相對比的類型。據(jù)統(tǒng)計，目前已知的原核絲狀體至少分布于12個門類147個屬中，但它們絕大多數(shù)個體很小，直徑多在1-3微米，僅個別巨型藍細菌和硫細菌直徑能夠達200微米，與壯麗青山藻的直徑相似。但這些巨型細菌的細胞全部為圓盤狀，沒有任何形態(tài)復(fù)雜性。而真核生物中類似壯麗青山藻的絲狀體生物則很多，例如異養(yǎng)的絲狀真菌和絲狀卵菌，特別是大多數(shù)真核藻類都含絲狀體，如褐藻、黃藻、綠藻、紅藻、輪藻、共球藻等。因此，研究團隊認為壯麗青山藻為多細胞真核生物化石。綜合分析表明，一些現(xiàn)生綠藻的藻絲體形態(tài)、細胞大小分布和繁殖方式等與壯麗青山藻最為接近。由此，研究團隊認為壯麗青山藻不僅是多細胞真核生物，且很可能屬于多細胞藻類，具有光合作用的代謝能力，盡管目前無法將其歸屬到具體現(xiàn)生門類中去。

為了進一步驗證壯麗青山藻的真核生物屬性，研究團隊采用激光拉曼光譜儀對壯麗青山藻的有機質(zhì)成分進行了譜學(xué)分析，并用同層位產(chǎn)出的3種藍細菌化石作為對比組。所有分析化石的拉曼光譜特征表明，化石有機質(zhì)成分是無序碳質(zhì)物質(zhì)。根據(jù)拉曼地質(zhì)溫度計估算出的最大埋藏溫度為205-250 ℃，表明化石經(jīng)歷了低級變質(zhì)作用，排除了現(xiàn)代生物污染的可能性。拉曼光譜的主成分分析(PCA)結(jié)果顯示，壯麗青山藻的有機質(zhì)組成明顯不同于藍細菌化石，為其歸屬為多細胞真核生物的解釋提供了支持。

目前學(xué)界普遍接受的真核生物最早化石記錄發(fā)現(xiàn)于我國華北和澳大利亞北部距今約16.5億年之前的古元古代晚期地層中。壯麗青山藻的出現(xiàn)時間僅僅稍晚于這些最古老的單細胞真核化石，表明真核生物出現(xiàn)之后便迅速發(fā)生了復(fù)雜的多細胞化演化。由于真核藻類(泛色素體植物)屬于冠群真核生物(現(xiàn)代真核生物)的一個支系，如果壯麗青山藻可以確認為是營光合作用的真核藻類，那么真核生物最后共同祖先應(yīng)不晚于16.3億年之前的古元古代晚期，比當前學(xué)界普遍接受的時間提前了近6億年之久，且與分子鐘推算的時間基本吻合，為進一步揭示復(fù)雜生命的起源和早期演化過程的奧秘以及元古宙地球環(huán)境演變提供了新的思考。