寒武纪是什么?

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寒武纪 　　寒武纪（Cambrian 距今5.4～5.1亿年）—海洋无脊椎动物大发展 　　寒武纪是地质年代划分中属显生宙古生代的第一个纪,距今约5.4亿至5.1亿年,寒武纪是现代生物的开始阶段,是地球上现代生命开始出现、发展的时期.寒武纪对我们来说是十分遥远而陌生的,这个时期的地球大陆特征完全不同于今天. 寒武纪常被称为“三叶虫的时代”,这是因为寒武纪岩石中保存有比其他类群丰富的矿化的三叶虫硬壳.当时出现了丰富多样且比较高级的海生无脊椎动物,保存了大量的化石,从而有可能研究当时生物界的状况,并能够利用生物地层学方法来划分和对比地层,进而研究有机界和无机界比较完整的发展历史.但澄江动物群告诉我们,现在地球上生活的多种多样的动物门类在寒武纪开始不久就几乎同时出现. 　　寒武纪是显生宙(Phanerozoic Eon)的开始,标志着地球生物演化史新的一幕.在寒武纪开始后的短短数百万年时间里,包括现生动物几乎所有类群祖先在内的大量多细胞生物突然出现,这一爆发式的生物演化事件被称为“寒武纪生命大爆炸”(Cambrian explosion).带壳、具骨骼的海洋无脊椎动物趋向繁荣,它们营底栖生活,以微小的海藻和有机质颗粒为食物,其中,最繁盛的是节肢动物三叶虫,故寒武纪又称为“三叶虫时代”,其次是腕足动物、古杯动物、棘皮动物和腹足动物,寒武纪的生物形态奇特,和我们现在地球上所能看见的生物极不相同. 比较著名的有早寒武世云南的澄江动物群、加拿大中寒武世的布尔吉斯页岩生物群.寒武纪的生物界以海生无脊椎动物和海生藻类为主.无脊椎动物的许多高级门类如节肢动物、棘皮动物、软体动物、腕足动物、笔石动物等都有了代表.其中以节肢动物门中的三叶虫纲最为重要,其次为腕足动物.此外,古杯类、古介形类、软舌螺类、牙形刺、鹦鹉螺类等也相当重要.抛开牙形石不说,高等的脊索动物还有许多其他代表,如我国云南澄江动物群中的华夏鳗、云南鱼、海口鱼等,加拿大布尔吉斯页岩中的皮开虫,美国上寒武统的鸭鳞鱼. 　　在潮湿的低地,可能分布有苔藓和地衣类的低等植物,但它们还缺乏真正的根茎组织,难以在干燥地区生活；无脊椎动物也还没有演化出适应在空气中生活的机能.寒武纪没有真正的陆生生物,大陆上缺乏生气、荒凉一片. 　　古生物学引用“大爆发”一词,来形容生物多样性突然爆发式出现.根据寒武纪开始时痕迹化石和小壳化石的突然多样性和复杂性,“寒武纪大爆发”的理论在澄江动物群发现之前就已提出,但对“寒武纪大爆发”所产生的动物及动物群落结构特征所知甚微,即使著名的加拿大布尔吉斯页岩动物群化石也比“寒武纪大爆发”晚1000多万年,不能回答寒武纪初期海洋中具体有什么生命. 　　澄江动物群的地质时代正处于“寒武纪大爆发”时期,它让我们如实看到5.3亿年前动物群的真实面貌,各种各样的动物在“寒武纪大爆发”时期迅速起源,立即出现,现在生活在地球上的各个动物门类几乎都已同时存在,而不是经过长时间的演化慢慢变来的.它将动物多样性的历史前推到寒武纪早期. 　　寒武纪的生物形态奇特,和地球上的现生生物极不相同.最古老的鱼种也出现在这个时代,是耳材村海口鱼（Haikouichthys ercaicunensis）,该化石发掘在澄江动物群. 　　寒武纪时期 　　570 - 505 百万年前 　　寒武纪是古生代的第一个时期.在这个时期里,海洋里生活着大量的无脊椎动物,许多动物一直繁衍至今.这些生物类别包括：节肢动物（躯体外壳带有关节的无脊椎动物）和软体动物（身体柔软的无脊椎动物,它们依靠硬壳来保护自己）. 　　先寒武纪 　　先寒武纪Precambrian 　　寒武纪之前的地质时期.又称前寒武纪.前寒武纪始于最早的地质阶段,结束于约5.7亿年前.系这一时期形成的地层之称,位于寒武系之下.前寒武纪曾划分为太古代和元古代,现广泛采用太古宙和元古宙分别表示其早、晚两个阶段,分界线为25亿年前.1930年,G.H. 查德威克将全部地质时期划分为两部分：寒武纪以前称为隐生宙；自寒武纪始的地质时期称显生宙.近年来,由于软躯体动物化石在前寒武纪地层上部被发现,并据以划分为太古宙和元古宙,隐生宙之称已趋于不用. 　　前寒武纪地层在全球有广泛出露,大面积露头的地区称地盾或克拉通.主要地盾有波罗的地盾、西伯利亚地盾、中国地盾、加拿大地盾、非洲（含阿拉伯）地盾、南美地盾、澳大利亚地盾和南极洲地盾等.地盾区的太古宙岩石大部分为绿岩、花岗岩和伴有基性火山岩的沉积变质岩.20亿年前的前寒武纪岩层中广泛产出带状含铁建造,其后出现陆成红层,这种变化可能反映早期生物造氧作用的发展.冰碛岩是前寒武纪的一种特殊类型,下元古界上部,在加拿大地盾和南部非洲有明显的冰碛岩分布；上元古界上部、亚、欧、美、澳各大洲都有冰碛岩分布. 　　现有岩石和矿物,年龄在距今35亿～ 46亿年的极少.已不能用放射性测定法确定其原始形成的时间.能够识别的最老的沉积岩和火山岩,年龄都不超过38亿年.地球表面上在距今约27亿～38亿年形成的沉积岩和火山岩都经过变形和变质 .最老的未变质的产状平缓的沉积岩和火山岩层序见于南非威特沃特斯兰德盆地下部. 　　前寒武纪的化石稀少,但在31亿年前的古老地层中已发现有原始菌、藻类的遗迹或遗体.前寒武纪以具有浮游的微生物和无核的到有核及单细胞的原生生物微化石为特征.约在20亿年前,大气圈才开始有氧的积累,在大气圈有相当的氧的含量后,生物得到了发展.由蓝-绿藻类衍生的底着叠层石广布于晚前寒武纪,而在约6.8 亿年前出现有软躯体的多细胞的后生动物,称伊迪卡拉动物群. 　　对前寒武纪大部分时期的气候条件基本上还不了解,但已知在其晚期（约7亿年前）出现过广泛的冰川作用.前寒武纪岩体是金属矿产特别是铁、镍、金、铀和铜等的重要来源.铁矿床主要为沉积型,但也可能有属于火成成因的大型磁铁矿体.全世界镍产量的75％来自加拿大地盾安大略萨德伯里的一个大型侵入体.前寒武纪岩体中产出的金超过其他地质体的总和.现在世界金产量的一半来自南部非洲的威特沃特斯兰德的前寒武纪砾岩.其他有价值的矿产还有铂、银、铅、锌、铬、钴、锰、石墨、云母和滑石等. 　　寒武纪大爆发 　　距今5.3亿年前的浅海里,生命经历了一次革命性的大规模演化,沉寂了40亿年的地球突然有了生动的色彩.这就是曾让达尔文为之不解的“寒武纪大爆发”.而日前被评定为国家自然科学奖一等奖的“澄江动物群与寒武纪大爆发”研究,就是想解开这个地球生命史上的惊人秘密—— 　　生命在地球上已存在40亿年了,但35亿年都消磨在了单细胞低等生命的水平上.直到5.3亿年前的寒武纪,神奇的“寒武纪生命大爆发”的瞬间,现代生物所有“门”一级的早期雏形“大爆炸”般地在地球上出现了. 　　“寒武纪大爆发”是一个令达尔文都感到困惑的问题,在人们普遍认同达尔文进化论的今天,全面揭示并合理解释“寒武纪大爆发”的真实面貌、探索众多动物门类起源的难题仍然摆在人们面前. 　　在中国云南省澄江县发现的数以万计的化石,是世界上绝无仅有的一处大规模远古生物化石公园.我国科学家20年磨一剑,通过澄江动物群化石的发现和研究,在世界上首次揭示了“寒武纪大爆发”的整体轮廓,证实几乎所有的动物祖先都曾经站在同一起跑线上.这项成果是“对达尔文进化论的重要发展”. 　　由三位科学家共同完成的这项名为“澄江动物群与寒武纪大爆发”的科研项目,被评定为2003年度国家自然科学奖一等奖,新中国成立以来也仅有28项成果获此殊荣.来自中国科学院、云南大学和西北大学的陈均远、侯先光和舒德干日前分享了这一荣誉. 　　什么是“寒武纪大爆发” 　　我国的澄江动物群化石在世界上首次揭示了“寒武纪大爆发”的全貌轮廓,从而为世界所广泛关注.那么到底什么是寒武纪与“寒武纪大爆发”?澄江动物群化石的首次发现者、云南大学教授侯先光给出详细解答. 　　寒武纪是地质历史划分中属显生宙古生代的第一个纪,距今约5.4亿至5.1亿年,寒武纪是现代生物的开始阶段,是地球上现代生命开始出现、发展的时期.寒武纪对我们来说是十分遥远而陌生的,那个时期的地球大陆特征完全不同于今天. 　　寒武纪常被称为“三叶虫的时代”,这是因为寒武纪岩石中保存有比其他类群丰富的矿化的三叶虫硬壳.但澄江动物群告诉我们,现在地球上生活的多种多样的动物门类在寒武纪开始不久就几乎同时出现. 　　古生物学引用“大爆发”一词,来形容生物多样性突然爆发式出现.澄江动物群的地质时代正处于“寒武纪大爆发”时期,它让我们如实看到5.3亿年前动物群的真实面貌,各种各样的动物在“寒武纪大爆发”时期迅速起源,立即出现,现在生活在地球上的各个动物门类几乎都已同时存在,而不是经过长时间的演化慢慢变来的.它将动物多样性的历史前推到寒武纪早期. 　　为什么会在寒武纪出现如此众多丰富的生物?科学家们提出许多假设,但目前还没有一个清晰的、提出确凿证据、令人信服的解释,“寒武纪大爆发”仍然是一个没有完全解开的谜. 　　“寒武纪大爆发”的发现过程 　　帽天山看去完全是个平淡无奇的小山包,像一顶圆帽戴在那里.来往的行人谁也不会向这个普通的黄色土堆多看一眼.科学家们来到这里却很兴奋. 　　但在漫长的沉寂之后,云南澄江县的这片貌不惊人的山包,如今被古生物学家视为一块圣地,一个地球生命史上的惊人秘密逐渐被解开：在距今5.3亿年前,这里的浅海上演了一个重大无比的事件———生命经历了一次革命性的大规模演化,绝大部分仅次于“界”以下的最大生物分类单位———“门”一级动物突然之间出现在地球上.“嘣”地一下,沉寂了40亿年的地球突然间热闹起来.这颗蓝色的星球终于有了生动的色彩. 　　“一瞬间”(这个过程实际上是200万年左右,但相对于35亿年的地球生物史,200万年,就好像是一天中的l分钟),众多从未在地球上露过面的动物一下子出现在海洋里,古生物学界甚至用“爆发”来形容这种突然性；它们的形态各异,从只有几毫米的微型动物,到长达2米、长着带柄巨眼和恐怖粗爪的大型怪物,几乎涵盖了所有的现有动物门类,也就是说,如今地球上所有一切天上飞的、地下跑的、海里游的动物的祖先,差不多都在那个时代出现了.包括人类在内的很多多细胞动物很可能就是从这里起跑,开始了各自的演化历史. 　　在今天昆明的附近地区,从东到西,包括马龙、澄江、长虫山、岷山、海口、武定2000多平方公里的广大地域上,都分布有出露地表的寒武纪沉积页岩.目前科学家所触及的还主要是群山中的一隅———帽天山. 　　现在地球上热闹非凡的上千万种生物归纳起来总共才35个门,而在澄江化石中已经发现了20多个门一级系统(还不包括一些现在已经绝灭了的门一级动物),而且还在不断发现新的动物门.这说明了一个关键性问题,在寒武纪早期,动物多样性的基本体制就已经建立了. 　　澄江动物群和寒武纪大爆发 　　澄江动物群是一个多门类动物化石群,它让我们如实看到了5.3亿年前动物群的真实面貌.然而,被誉为“20世纪最惊人的发现之一”的澄江动物群是如何“现身”的? 　　“发现有其偶然性,但其中也蕴含着必然性,要在科学上真正取得成绩就必须付出比常人更多的艰辛和更细致的工作.澄江动物群的发现是艰苦而细致的野外工作的结果.”澄江动物群的发现者、云南大学教授侯先光告诉笔者. 　　澄江的地质古生物研究已有近百年历史,早在1909年和1910年,法国科学家就详细研究了此地区的地质和古生物,并出版了研究专著.新中国成立以后,国内外学者、科研教学单位更是在此开展了大量的研究工作.当然,如果有谁能够预料到澄江动物群存在于这个区域的地层中,这个重大发现肯定不会推迟到20世纪80年代,也不会落到一个普通的年轻研究人员身上. 　　时间要退回到1984年的6月5日,这一天,当时在中国科学院南京地质古生物研究所工作、刚刚获得硕士学位两年多的侯先光离开南京,乘火车9日到达云南,为自己的专业研究收集高肌虫化石,然而工作进展并不理想. 　　7月1日,侯先光冒雨把工作重点转移到澄江县帽天山.这一天,他和附近大坡头村的一位村民在雨中的工作格外辛苦,当下午3时多的时候,一块栩栩如生的动物化石暴露在湿漉漉的岩石劈开面上,这让侯先光的疲劳一扫而光.这块标本长4厘米至5厘米,身体由前、后两个背壳组成,向前摆动的腿肢对称分布. 　　“这块完整保存软体附肢标本的突然发现,使我惊愕异常,全身血液似乎停止了流动,拿标本的双手不由自主颤抖起来.”谈到这一名为长尾纳罗虫标本的发现,侯先光现在仍然激动不已. 　　这一天,侯先光和那位村民一直工作到天黑才动身返回,沿着弯弯曲曲的山路,步行1小时才回到大坡头村的住处.“我把重要的几块标本放在床铺下面,激动和兴奋让疲惫的我一夜不能入眠,不时起身翻看放在床铺下的标本.这也改变了我的研究方向.”本来去寻找高肌虫化石的侯先光“歪打正着”,也奠定了他以后工作的目标和方向. 　　1984年7月1日,无疑在世界古生物学历史上具有里程碑式的意义.从此,“20世纪最惊人的发现之一”逐渐揭开了神秘的面纱.几乎所有动物祖先 　　都曾站在同一起跑线上 　　自1859年达尔文创立生物进化论以来,人们便开始认识到发生在5.4至5.3亿年前古生代之初的早寒武纪生命突然爆发的奇特现象.达尔文在《物种起源》中也承认他无法解释寒武纪化石突然出现这一事实. 　　“寒武纪大爆发”难倒了无数科学家,探索生命起源仍然是摆在世界上的一个难题.现在也没有任何一个动物门或亚门的起源得到公认性的解决,它们都在等待真实可靠的生物学信息丰富的早期化石记录提供直接证据.澄江动物群正是人们期盼已久的、探索生命源头奥秘的最佳科学窗口. 　　从小壳动物群到澄江动物群短短不到200万年的时间,是寒武纪大爆发最关键的一幕,这是动物多样性基本体制的伟大诞辰. 　　1909年,外国科学家在加拿大发现中寒武纪的布尔吉斯页岩动物群,在过去近一个世纪的时间,曾让外国科学家在地球早期生命研究领域一度独领风骚,被认为是寒武纪大爆发最具代表性的动物化石群,布尔吉斯也由此被称之为“古生物的天堂”. 　　“‘寒武纪大爆发’的理论在澄江动物群发现之前就已提出,但对‘寒武纪大爆发’所产生的动物及动物群落结构特征所知甚微,即使著名的加拿大布尔吉斯页岩动物群化石也比‘寒武纪大爆发’晚1000多万年,不能回答寒武纪初期海洋中具体有什么生命.”三位科学家告诉记者,“澄江动物群的地质时代正处于‘寒武纪大爆发’时期,它让我们如实看到5．3亿年前动物群的真实面貌,各种各样的动物在‘寒武纪大爆发’时期迅速起源,立即出现,现在生活在地球上的各个动物门类几乎都已同时存在,而不是经过长时间的演化慢慢变来的.它将动物多样性的历史前推到寒武纪早期.” 　　“澄江动物群是20世纪古生物学的伟大发现,为生物早期演化及其在寒武纪早期的‘大爆发’问题提供了新的回答.” 　　国家自然科学奖评审委员会高度评价这项成果：“这项研究建立了多个现已灭绝的高阶生物门类,对一些现存生物门类的早期演化进行了系统研究……属于重大原创性工作,研究成果使生物演化的突变模式得到进一步的肯定,是对达尔文进化论的重要发展,科学价值重大,在世界范围内影响深远. 　　科学家们认为,三位科学家对澄江动物群的发掘和研究,揭示了多姿多彩的寒武纪大爆发动物世界的全貌轮廓,证实了寒武纪大爆发既是现生动物门和亚门的历史起点,又是生命复杂形态的历史起点；挑战了地球生命形成自下而上倒锥形进化理论的模型,为生命自上而下的爆发式形成的理论模型提供了依据. 　　澄江动物群的发现和研究引起国际社会的强烈关注.一位英国皇家科学院院士认为,澄江动物群“永远是科学的大厦”；《纽约时报》则评论这是“20世纪最惊人的发现之一”；美国《科学新闻》的评价更为形象：“在地球早期黑暗中探索生物的起源,久追不得其解而绝望的古生物学家,对这些全新的化石证据无比欢欣鼓舞.”这个项目的完成人已发表论文90多篇,其中在国际著名杂志《自然》和《科学》上发表论文14篇. 　　寒武纪生物 　　“海中恐龙”奇虾 　　5.3亿年前的海洋中,最凶猛的捕食者莫过于奇虾了. 　　它有一对带柄的巨眼,一对分节的用于快速捕捉猎物的巨型前肢,美丽的大尾扇和一对长长的尾叉.它虽不善于行走,但能快速游泳.25厘米直径的巨口可掠食当时任何大型的生物,口中有环状排列的外齿,对那些有矿化外甲保护的动物构成了重大威胁.这是一种攻击能力很强的食肉动物,它的个体最大可达2米以上,而当时其他大多数动物平均只有几毫米到几厘米. 　　最完整的奇虾化石出现在帽天山的页岩中. 　　1992年帽天山北坡修筑公路,推土机推出了一个巨大的断面,给了奇虾化石被发现的机会.第一块标本在发现之初只有前附肢的末端露了出来.由于好奇心的驱使,南京地质古生物研究所的周桂琴在野外当场就修理起来.当完整的一对前附肢和头部显露之际,她不禁兴奋得大喊起来. 　　第一块奇虾标本的现形,又引出了第三块完整奇虾的问世.其实,这“第三块”奇虾化石早在1990年就已被南古所的朱茂炎采集回来,但当初它怪异的形体让人迷惑,因而被冷落在办公室的托盘中将近2年.随着标本的修复,一个完整的凶猛的猎食者形象出现在人们眼前. 　　奇虾的食谱可能包括其他的食肉动物.它那么大的身体,那么大的嘴巴,还有那样一对大的捕捉器官,可以捕食当时最大的活物,绝对不会只吃处于食物链最低位置的生物,因它爪太粗,抓取微小食物反而不是那么容易. 　　没有人会认为,在当时的海洋中,奇虾不是“适者”.它可以称得上是海洋中的“巨无霸”,处在食物链的顶端,能够轻而易举地猎获足够的食物,却没有其他生物可以威胁它的生存.但是,就像在陆地上曾经占统治地位的恐龙一样,奇虾也早已绝灭了.究竟它是在什么时候,因为什么永远从地球上消失的?这是又一个没有解开的谜.