很多人都瞭解地球上漫長的生命演化史：在38億年的時光中，生物從原核生物到真核生物，從單細胞真核生物到多細胞真核生物，逐步從簡單生命演化成複雜生命。在現在的地球上，包括人類在內的動物、陸生植物、真菌和宏體藻類等，都是複雜生命，也都是多細胞真核生物。

生命系統發生樹（圖片來源：維基百科）

那麼，多細胞真核生物是何時在地球上出現的呢？這可是生命演化史上的重大關鍵事件之一。之前的研究證明，這個時間是距今15.6億年前。會不會更早呢？

2024年1月25日，中國科學院南京地質古生物研究所朱茂炎研究員領導的“地球-生命系統早期演化”團隊回答了這個問題。團隊成員中國科學院南京地質古生物研究所博士苗蘭雲在華北燕山地區16.3億年前地層中發現多細胞真核生物化石，這些保存精美細胞結構的微體化石被認爲是迄今全球發現最早的多細胞真核生物化石記錄。該科研成果發表在最新一期的《科學進展》（Science Advances）雜誌上（點擊文末“閱讀原文”直達論文）。

“我找到的化石，是不是最早的多細胞真核生物？”這道證明題是怎麼做的呢？

長城腳下，藏着生命演化早期的祕密

科研人員在燕山野外（圖片來源：作者提供）

燕山山脈是中國北方重要山脈之一，位於內蒙古壩上高原以南，河北平原以北，白河谷地以東，山海關以西，逶迤着中華民族的精神象徵——長城。

研究團隊爲什麼要把目光鎖定在這裏？大家不瞭解的是，對於地質古生物學來說，燕山山脈有着更加非凡的意義。

長城腳下，是一套被稱爲“長城系”和“薊縣系”的岩石，爲距今18億年到13億年前的寒武紀沉積地層，近萬米厚，是全球開展地球早期地質歷史和生命演化的最好、最經典的地區之一，以天津薊縣（現稱薊州）地區爲代表。1984年我國在天津薊縣成立第一個國家級自然保護區，2001年天津薊縣國家地質公園成立，這裏記錄着燕山的自然風光、文化古蹟和獨特的地質記錄。

薊州區中上元古界地層剖面，記錄着這裏的地質演化史（圖片來源：作者提供）

20世紀30年代初，中國科學院院士高振西等人在長城腳下的天津薊縣建立我國北方“震旦系”標準剖面。近百年來，經過幾代地質學家的研究，其時代釐定越來越精準。

1997年，中國地質調查局天津地質調查中心朱士興和黃學光在河北遷西和寬城地區進行野外地質調查工作過程中，在15.6億年前的“薊縣系”高於莊組中發現了大型碳質膜化石，這是生物體被埋藏後在化石化的過程中被壓扁保存爲一層深色的碳質物質。

高於莊組宏體碳質膜化石（圖片來源：作者提供）

2016年，朱茂炎團隊與朱士興等國內外學者一起，對這批標本開展了系統的研究，認爲它們屬於多細胞真核生物化石，距今15.6億年。而且，這批多細胞真核化石已經“長得很大”，寬達8釐米，不完整的化石長度達30釐米。出現這麼大的宏體化石，說明在這之前還會有相對簡單的微體化石（就是肉眼看不見的那種）階段。這一結果突破了學界以往的認知，不僅將地球上大型多細胞真核生物的出現時間從以前認爲的6億年前提前了將近10億年，並由此推斷真核生物發生多細胞化的時間應該更早。

爲了驗證前人的這一推斷，苗蘭雲自博士研究生階段開始，就將在燕山地區早於16億年的古元古代晚期“長城系”地層中尋找多細胞真核化石記錄作爲主要研究課題。

八年積澱，每一次的實驗都是“拆盲盒”

由於長城系地層中的化石多爲肉眼看不見的微體化石，必須要藉助顯微鏡才能看清楚細節，而且這些化石被深深包埋在頁岩裏，所以科研人員要將採集的樣本帶回實驗室，通過嚴格的微體化石酸提取實驗，找到微體化石才能進行分析。8年來，苗蘭雲一直往返於南京與河北：在燕山腳下采集樣品，再返回南京的實驗室。

採集岩石樣品（圖片來源：作者提供）

之所以說是“拆盲盒”，是因爲並不是所有頁岩中都保存有微體化石，每次做微體化石酸提取實驗的結果是無法預料的。

“拆盲盒”的過程是：

（1）首先用氫氟酸把頁岩中的礦物都溶解掉，有機質（主要由碳和氫組成的有機物）不受氫氟酸影響因爲能保留下來；

（2）前一步過程中會產生CaF2，是絮狀物質，使溶液看起來像牛奶一樣渾濁。爲去除CaF2，要在去除殘餘氫氟酸後，添加鹽酸，然後通過水浴加熱的方式去除絮狀CaF2；

（3）剩下溶液裏主要是鹽酸、水和有機質，再利用多換水的方式將溶液洗成中性，最後剩下就主要是水和有機質了。

化石就是以有機質形成保存的，所以尋找微體化石，要在有機質中尋找。

微體化石提取實驗（圖片來源：作者提供）

化石顯微形貌分析（圖片來源：作者 提供）

古生物版的“盲盒”大概是這樣的：

經過酸提取處理的樣品（圖片來源：作者提供）

教你辨認多細胞真核生物化石

終於，苗蘭雲從採集的幾百件樣品中發現了278枚保存精美細胞結構的微體多細胞真核化石標本，這些標本均來自在河北省寬城縣翁家莊剖面串嶺溝組中上部地層。

你也許會好奇，上面的樣品看起來都差不多，怎麼分辨出哪些是多細胞真核生物呢？下面我們結合圖片來分析一下多細胞真核生物化石的特點。

圖1. 串嶺溝組中發現的壯麗青山藻. 化石保存爲有機質壁構成的多細胞絲狀體，顯示細胞大小的變化引起的絲狀體形態變化. 絲狀體直徑向一端收縮（A-D, F-I, K），絲狀體直徑不變（J），保存有完整端部的絲狀體（E, L）. 比例尺對於F-H和K代表100微米，其餘的代表50微米（Miao et al., 2024b）

圖2. 含有孢子結構的壯麗青山藻. 比例尺對於A, C, D和F代表50微米（Miao et al., 2024b）

第一個特點：細胞大。

在顯微鏡下可以看出，這些化石是由巨型細胞組成的。它們是由單列細胞組成的無分枝的絲狀體（圖1和2），絲狀體直徑20-190微米不等，最長可達860微米，無外鞘。（注：原核生物細胞一般小於2微米；真核生物細胞一般2-100微米）

第二個特點：形態顯示一定的複雜性。

這些化石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（圖1）。通過測量顯示不同類型的多細胞絲狀體在形態上呈現連續過渡變化的特徵，研究人員發現這些多細胞絲狀體化石屬於同一個物種。

這些化石的複雜性還體現在，一些化石中被發現有類似於現生繁殖細胞——孢子一樣的圓形結構，這說明該化石實際上是一種通過孢子繁殖的生物。

苗蘭雲通過文獻調研發現，絲狀體化石的形態和大小與1989年前人在天津薊縣地區串嶺溝組發現的“壯麗青山藻”（Qingshania magnifica Yan, 1989）相似，所以這些擁有巨型細胞且細胞形態複雜的化石應該就是“壯麗青山藻”。

擁有巨型細胞、形態複雜就一定是多細胞真核生物了嗎？還需要做幾道“篩選題”。

符合這些條件，“壯麗青山藻”身份確定

要確定這個化石的身份，還得把它跟現生的生物、同時期的生物做對比。

1.與現生的生物對比

在現生生物中，由單列細胞組成的絲狀體生物種類非常繁多，在原核（細菌和古菌）和真核生物中都廣泛存在。科研人員根據此次發現的化石擁有着巨型細胞且絲狀體形態複雜這一特徵，開始進行排除大法。

科研人員先將壯麗青山藻與現生原核生物進行了對比。據統計，目前已知的原核絲狀體至少分佈於12個門類147個屬中，綜合比較絲狀體形態的複雜度、細胞大小和繁殖方式，原核生物中並沒有可以與壯麗青山藻相類似的類型。這些現生的原核絲狀體大多個體很小，而個別較大的生物形態又比較簡單。因此，排除壯麗青山藻是原核生物。

而在現生真核生物中，類似壯麗青山藻的絲狀體生物則很多，例如：異養的絲狀真菌和絲狀卵菌，特別是大多數真核藻類都含絲狀體，如褐藻、黃藻、綠藻、紅藻、輪藻、共球藻等。

壯麗青山藻與異養的絲狀真菌和絲狀卵菌相似，特別是大多數真核藻類都含絲狀體，如褐藻、黃藻、綠藻、紅藻、輪藻、共球藻等（圖片來源：作者提供）

壯麗青山藻與一些現生綠藻對比接近 （圖片來源：作者提供）

綜合分析表明，壯麗青山藻與一些現生綠藻的藻絲體形態、細胞大小分佈和繁殖方式等最爲接近。因此，研究團隊認爲壯麗青山藻爲多細胞真核生物化石，且很可能是多細胞藻類，具備光合作用的代謝能力，但是，目前無法將其歸屬到具體現生門類中去。

2.藉助高科技，對比“同齡人”

爲了進一步驗證壯麗青山藻的真核生物屬性，研究團隊採用激光拉曼光譜儀對壯麗青山藻和同一個頁岩樣品中提取到的3種藍細菌（多細胞原核生物）化石的有機質成分進行譜學對比分析。

拉曼光譜特徵表明，與同層位的多細胞原核生物相比，壯麗青山藻經歷了低級變質作用（變質作用是指受溫度、壓力或其他因素影響使得原來的物質結構或成分遭到變化。對地質樣品來說，經了漫長的地質作用，例如地溫梯度和壓力，它原始的物質結構和成分會逐漸發生變化），不可能是現代生物污染。而且化石的有機質組成明顯不同於藍細菌化石，進一步支持了多細胞真核生物屬性的解釋。

真核生物的最後共同祖先起源時間可能提前

本次發現的含化石地層的頂部有一層火山凝灰岩，前人曾通過鋯石鈾-鉛同位素定年結果爲16.35億，這爲新發現的化石提供了直接的年齡約束。因此，“壯麗青山藻”被認爲是迄今全球發現最早的多細胞真核生物化石記錄。距今16.3億年前！

根據以上“證明題”的論證過程，研究人員可以確定，壯麗青山藻是目前最早的具細胞結構的多細胞真核化石（距今16.3億年前），且可能是已經滅絕了的真核藻類（具體親緣關係未知）。

由於，目前學界普遍接受的真核生物最早化石記錄（單細胞真核生物化石）發現於我國華北和澳大利亞北部距今約16.5億年的古元古代晚期地層中。壯麗青山藻的出現時間，僅稍晚於這些最古老的單細胞真核化石，表明真核生物出現之後便迅速發生了複雜的多細胞化演化。

由於真核藻類（泛色素體植物）屬於冠羣真核生物（現代真核生物）的一個支系，如果壯麗青山藻可以確認爲是營光合作用的真核藻類，那麼真核生物最後共同祖先（LECA）應不晚於16.3億年前，比當前學界普遍接受的時間提前了近6億年之久。這爲進一步揭示覆雜生命的起源和早期演化過程的奧祕以及元古宙地球環境演變提供了新的思考。

真核生物譜系發生樹簡化圖和真核生物早期重要化石記錄. 真核生物樹中，虛線表示幹羣真核生物，實線表示冠羣真核生物（真核生物最後共同祖先LECA及其所有後裔）. 分歧點上的淺灰色條帶表示分子鐘估算的分歧時間（Parfrey et al., 2011, PNAS）. 右圖顯示真核生物各類羣最早的化石記錄（據Miao et al., 2024b修改）

哈佛大學Andrew Knoll教授和中國科學院深海科學與工程研究所屈原皋研究員參加了此項成果的研究。

研究得到國家重點研發計劃（2022YFF0800100）、國家自然科學基金（41888101, 41921002, 41972204）和中國科學院創新交叉團隊（JCTD-2020-18）的聯合資助。

相關論文：

[1]Miao, L., Moczydłowska, M.*, Zhu, S., Zhu, M.*, 2019. New record of organic-walled, morphologically distinct microfossils from the late Paleoproterozoic Changcheng Group in the Yanshan Range, North China. Precambrian Research, 321:172-198.

[2]Miao, L., Yin, Z., Li, G., Zhu, M.*, 2024a. First report of Tappania and associated microfossils from the late Paleoproterozoic Chuanlinggou Formation of the Yanliao Basin, North China. Precambrian Research, 400:107268.

[4]Miao, L., Yin, Z., Knoll, A.H., Qu, Y., Zhu, M.*, 2024b. 1.63-billion-year-old multicellular eukaryotes from the Chuanlinggou Formation in North China. Science Advances.

[5]Zhu, S., Zhu, M.*, Knoll, A.H., Yin, Z., Zhao, F., Sun, S., Qu, Y., Shi, M., Liu, H., 2016. Decimetre-scale multicellular eukaryotes from the 1.56-billion-year-old Gaoyuzhuang Formation in North China. Nature Communications, 7:11500.

作者：盛捷 苗蘭雲 朱茂炎 諸鵬飛

作者單位：中國科學院南京地質古生物研究所