寒武纪大爆发时期,一个完整的地球生态体系已经形成。这个生态体系的结构和现代已经非常类似,即我们通常所说的“大鱼吃小鱼、小鱼吃虾虾、虾虾吃泥巴”的宝塔形结构。
在寒武纪的海底,和澄江动物群共生的海藻生长得非常繁茂。在海底泥沙中生活着各种各样的掘穴的蠕虫,如线形动物、鳃曳动物等,它们大多以海底沉积物为食。海底还有很多爬行的节肢动物,大多也以海底沉积物为食。这些藻类植物、食泥动物等构成了宝塔形食物链的底层生物。而在海底生活的海绵动物、刺细胞动物、高足杯虫、伊尔东体形的触手动物等,以过滤海水中的营养物为食。在海底爬行、捕食其他小型动物,以动物尸体为食的叶足类动物,以及在立体的水域中游泳、捕食的节肢动物,形成了食物链的中间层。那么,寒武纪海洋中,高居于食物链顶端的动物又是什么呢?
在澄江动物群中发现的最大的动物是一种叫“奇虾”的动物,根据化石碎片推算,奇虾最长近2米。
奇虾的头上有一对茎状大眼睛,它还有一对强大的抓肢和一个具有尖牙利齿的巨大的圆形口器。大眼睛使奇虾具有宽广的视野,强大的抓肢可用于抓捕并牢牢控制较大型的动物以免逃脱,具有尖牙利齿的巨大的嘴能够撕碎各类动物的尸体。奇虾身体分节,具有外骨骼。在奇虾的腹面两侧,具有桨状的腿肢外肢和强壮的内肢构造,这使得它们既可以在海中迅速游动,又可以利用腿肢抓捕其他动物。
由此可见,在寒物纪早期海洋中,奇虾是最为凶猛的动物,高居于食物链的顶端。
值得一提的是,科学家对奇虾的认识过程颇为有趣。
奇虾最早发现于加拿大大不列颠哥伦比亚的布尔吉斯页岩。年,Whiteaves首先把这种看起来像虾的甲壳动物命名为“奇虾”。后来,陆续发现的奇虾的其他化石碎片被分别描述为海绵、水母、棘皮动物、环节动物等完全不同的动物。年,Briggs认识到所谓的“虾”实际上只是动物的一个附肢而非完整的动物个体。年,Whittington和Briggs指出,原先认为是不同动物的构造实际上都属于奇虾。
布尔吉斯页岩动物群
年8月,著名美国古生物学家、美国史密森协会主席维尔卡特带领全家到加拿大落基山脉的布尔吉斯山旅行。在回来的路上,他的夫人骑的马被一块石头绊倒。当他捡起这块石头查看时惊奇地发现,这是他从未见过的一种动物化石。这只动物从头部伸出两对触角,身体多节。维尔卡特用他的一位朋友的名字将它命名为“马尔三叶形虫”。
第二年夏天,维尔卡特专程回到这里,开始大规模发掘工作,结果得到了多种保存十分完好的无脊椎动物化石,有的像海母、海葵等腔肠动物,有的像环节动物,有的像海参等棘皮动物……
由于“马尔三叶形虫”及后来发现的许多不同种类的动物化石都是在一种被叫做“布尔吉斯页岩层”的地层中发现的,所以这些动物被统称为“布尔吉斯页岩生物群”。
研究发现,布尔吉斯页岩生物群的生活时代大约在中寒武纪(距今5.05亿年),也就是我们常说的寒武纪大爆发时期。在此期间,大量动物种群在较短时期内(也许仅几百万年内)突然出现,几乎现在所有的生物种类都可以在这里找到自己的祖先,而在此之前,动物世界还只是由多细胞后生动物及小壳动物等简单生物所组成。布尔吉斯页岩生物群成为寒武纪大爆发的重要证据。
布尔吉斯生物群的发现给当时的科学界带来极大震撼,它使科学家们第一次清楚地认识到,在寒武纪海洋中具有骨骼的动物仅占少数,绝大多数是不易保存的软躯体动物门类,从而纠正了人们对寒武纪仅存有三叶虫等少数硬体动物的错误认识。
“寒武纪大爆发”事件何以产生?
是什么因素导致了“寒武纪大爆发”事件的产生?
得到很多人认同的一种观点是“含氧量变异说”。该理论认为,距今大约20亿年前,由于行光合作用的水生原核生物出现,导致水圈和大气圈中的自由氧积累和紫外线辐射作用减弱。距今9亿~15亿年前,真核生物开始出现,导致大气和水体的氧含量进一步增长,碳酸盐沉积和二氧化碳含量下降。这一事件的直接后果是全球气温的升降,冰川的形成和融化,海平面的上升和下降,从而引发地球表面生态环境的多样化和生物类群的急剧分化。其中,氧气含量是后生生物演化上的一个主要障碍,当这一障碍消除后,多细胞后生动物立即出现,而且迅速演化。
另一种流行观点是“收成原理说”。该理论认为,掠食动物的出现是寒武纪大爆发的主要诱导因素。在寒武纪之前,在长达30亿年的时间里,海洋生物中只有简单的像藻类这样的初级生产者。由于没有掠食者,整个前寒武纪生物的组成极为单调。而掠食者的出现,为初级生产者开辟了新的空间。于是,更多、更高层次的掠食者便演化出来。
此外,还有一些理论尝试从发育机制的演化来解释寒武纪大爆发,认为在寒武纪大爆发时期,当基因的复杂性达到某一临界值时,许多后生动物类群因基因的重新建构而发生爆发式辐射现象。
到目前为止,关于寒武纪大爆发的原因还没有一个清晰的、令人信服的解释。因此,寒武纪大爆发仍然是一个没有解开的谜。
澄江动物群何以完美保存?
澄江动物群中的各类动物能如此完好的保存,必定存在着某些地质、沉积上的突发事件,使昆明地区当时海域生活的各类生物被迅速埋葬封闭,不仅使其免受细菌的腐蚀,而且还使其免受各类底栖动物的扰动。
对澄江动物群的埋葬方式和保存,有专家认为,在一个泥质底的海滨,暴风雨使饱含沉积物的海水向深海盆地流动并形成混浊流,如同一个流动的海底河流;由于恶臭泥土的侵害,这种海流变成有毒的水,杀死了生活在浅海海域的动物,把它们的尸体带到浪击面之下的缺氧带并沉积下来,使其免受食肉动物和掘穴动物的破坏;几天之后,沉积的细泥包裹了动物尸体,使其免受无孔不入的细菌的损害。如此看来,澄江动物群应该是异地埋葬。但是,目前发现的保存完好的澄江动物群腕足动物标本、高机虫附肢标本、叶足类罗哩山虫标本,无不显示澄江动物群应该是原地埋葬的。
又有专家指出,可能是大风暴把临近古陆上的大量沙土吹到海域沉积下来,导致了大量动物的死亡。但是,这种解释不能说明某些动物的死亡原因。的确,寒武纪裸露的古陆在大风暴袭来时会尘土飞扬,使清澈的海水饱含碎屑沉积物,这或许能把游泳能力较差的动物和底栖固着的动物置于死地,但却很难把掘穴动物和游泳能力较强的动物置于死地。从一只蠕虫的身体的不同部分被分别保存在不同的泥岩中这个事实可以看出,许多在穴内生活的蠕虫在死前似乎还在穿层运动。对大量标本的研究表明,澄江动物群所代表的似乎是一个被原地埋葬的动物群落。突发事件不仅致使各类动物被快速埋葬,而且还使水体中产生了有毒物质,使动物们在挣扎中快速窒息死亡,在当时即便是细菌也难以生存繁衍。
近年来又有专家指出,火山爆发也可能影响了澄江动物群的保存环境。
新的研究证明,澄江动物群化石之所以保存十分精美,主要是黄铁矿矿化的结果。动物死亡后,黄铁矿矿化作用迅速发生。我们现在看到的澄江动物群化石精美的构造细节,实际上是黄铁矿矿化的结果。