西北大学博士Nature发文：在陕南镇巴发现地球最早的苔藓虫化石

北京时间10月27日晚，《自然》（Nature）杂志以“长文”（Article）形式刊发了西北大学早期生命研究团队张志飞教授指导的博士生张志亮等人的最新成果——《化石证据揭示苔藓动物门起源于寒武纪早期》，宣告在陕南镇巴县发现了地球上已知最早的苔藓动物（苔藓虫）化石。该研究将苔藓动物门的地质历史从奥陶纪前推到寒武纪大爆发早期，将其起源向前推进了约5千万年。

张志亮是论文第一作者，西北大学为第一完成和通讯单位。这是由舒德干院士领衔的西北大学早期生命与环境创新研究团队自1996年以来在《自然》（Nature）《科学》（Science）上发表的第15篇论文。

该研究进一步支持了舒德干团队提出的“三幕式寒武纪大爆发”假说，完善了寒武纪地球动物树历时四千万年的构建过程，有效地衔接了由三大动物亚界（基础动物、原口动物和后口动物）爆发性、分阶段出现的化石证据链。

揭示苔藓虫的寒武纪起源

寒武纪大爆发是地球上已知最为宏伟的两侧对称动物的生命爆发事件。在距今5.4-5.18亿年前，地球海洋中突然爆发性地出现了包括脊椎动物在内的几乎所有现代动物的早期祖先代表。但是，地质历史中非常重要的动物门类—苔藓动物门，却一直缺乏确凿的寒武纪化石记录。它们个体微小、群体生活、模块化生长、生态复杂，一直以来被认为是奥陶纪大辐射的产物。

西北大学研究团队在陕南镇巴县小洋坝剖面灯影组西蒿坪段的生物碎屑灰岩中，通过酸蚀处理，发现了毫米级的微体化石。经课题组前期研究，联合澳大利亚麦考瑞大学教授、西北大学兼职教授Glenn A. Brock，并与中国科学院南京地质古生物研究所、英国自然历史博物馆、瑞典自然历史博物馆等国际学者合作研究，认为这些微体化石代表了地球上已知最早的苔藓动物（苔藓虫）化石。

模拟复原图

舒德干院士介绍，“过去许多古生物学家在努力探索，只发现苔藓动物最早的群体化石记录是在4亿多年前的奥陶纪地层，现在张志飞、张志亮等人发现了它们起源于5亿多年前的可靠证据，把它们的起源提前了至少5千万年”。研究还发现，两侧对称动物的模块化生长和群落分布比想象的要早得多，提出现代苔藓虫可能起源于群居的祖先类型。

根据最新的三叶虫与腕足动物组合特征，研究认为陕南镇巴地区的西蒿坪段属于寒武系第三阶下部，相当于滇东地区的筇竹寺阶黑林铺组玉案山段底部，属于拟小阿贝德虫三叶虫带。相比之下，我国著名的澄江动物群主要产于我国滇东地区的玉案山段中上部，属于始莱德利基虫-武定虫（Eoredlichia-Wutingaspis）三叶虫带，因此地球发现的最早苔藓动物化石出现明显比澄江动物群早。

澄江动物群产出层位Eoredlichia-Wutingaspis三叶虫化石带，

以及苔藓虫产出层位Parabadiella三叶虫化石带

苔藓动物个体微小，多呈管状或囊状，身体外部有表皮细胞分泌的钙质或几丁质虫室，属于典型的包壳造礁动物，通常生活在其它壳体动物或者硬底质海洋表面。该化石在陕南泥质灰岩中的发现，表明了寒武纪苔藓动物与后期属种相似，适宜在清澈的硬底质环境中生活。这揭示了泥页岩化石库中缺乏苔藓动物化石的原因。该类化石的研究对理解地球宜居性演变以及底栖（草根）动物如何改造地球、适应地球的过程有重要意义。

最早苔藓动物复原图

“在5.3亿年前地层中发现苔藓动物门的源头，这件事再次完美地支持了‘三幕式寒武纪大爆发’假说的正确性，或者说它进一步证实了这个假说具有可靠的科学预言性。”舒德干说。三幕式寒武纪大爆发假说是西北大学早期生命团队2008和2009年提出的，大胆预言了地球上动物界的所有门类起源成型的具体时间、过程和规律。

比芝麻还小的化石，发现真不易！

舒德干说：“多个动物门类的源头探索，其中比较容易发现的门类，过去都陆续被发现了，剩下的都是一些很难啃的‘硬骨头’。苔藓动物门在海洋中是一个重要门类，很难被发现，因为它们只有毫米级大小。”

2015年，张志飞带领学生张志亮、陈飞扬等赴湖北宜昌、四川南江、陕西镇巴等地，采集了大量生物碎屑灰岩。回到西北大学后，张志亮开始了漫长的酸蚀实验：岩样破碎、醋酸溶解、分门别类……长达三年多的时间，他处理了约三万二千枚化石。

陕南镇巴小洋坝剖面

在此过程中，有一枚比芝麻还小一倍的奇特化石，让他印象深刻。“我至今都记得初次把它放到显微镜下的瞬间，‘美妙惊奇，叹为观止’所有美好的词汇都不及眼下小小的世界。”张志亮回忆道。

“总觉得这枚化石形态结构奇特，但它到底是什么？”疑问始终困扰着张志亮。2017年赴瑞典交流学习期间，他用扫描电子显微镜为它拍了许多照片。访问瑞典自然历史博物馆期间，馆长Christian B. Skovsted认为这枚化石可能意义非凡，但只有一枚标本，开展研究的阻力较大，让他再继续寻找。

张志亮与导师张志飞在陕南小洋坝剖面采样

也许念念不忘，也许是天意使然，苔藓动物与张志亮要在5亿多年的时光流转中相遇相识。2017年，Glenn A. Brock访问课题组，张志亮习惯性地拿出了这枚化石照片。Glenn看后，惊呼 “天哪！1993年我曾在澳大利亚见过类似的标本！”这一刻，张志亮的眼睛亮了。“5亿多年前，澳大利亚板块与中国华南板块临近，相似的化石在两个板块上的同时出现，证明我们曾经的偶然发现并非巧合！”

与Glenn A. Brock在澳大利亚弗林德斯山脉地区野外考察

赴澳大利亚麦考瑞大学工作期间，张志亮见到了1993年的模式标本。当打开显微镜，看到形态、结构、模块构建一致的它们，让他更加坚信，在世界的某块岩石中一定还存在着它们的“兄弟姐妹”。基于地质知识的积累，他初步判断在澳大利亚弗林德斯山脉模式标本产地附近应该会有相似的化石。

澳大利亚野外采集寒武纪化石

经过漫长的采样、补样，张志亮终于找到了另外4枚形态结构相似的化石。跟张志飞老师和合作的专家讨论后，初步确认标本实为苔藓动物化石，印证了他们前期的猜想。这让张志亮激动不已，“与其说是我发现了它，不如说是化石发现了我”。

6年的执着，换来14天通过Nature初审

苔藓动物与腕足动物、帚虫动物一起被称为触手冠动物，共同具有马蹄形的触手冠取食结构。苔藓虫室多呈管状或囊状，个体连片群居，呈现树枝状，外形很像苔藓植物。苔藓虫消化道呈现U型，肛门位于触手冠之外，故名外肛动物。

陕南镇巴灯影组西蒿坪段赋含的三叶虫拟小阿贝德虫和舌形贝腕足动物始圆货贝（Parabadiella-Eoobolus）及其寒武纪全球古地理分布

张志亮在华南找到的1枚化石虽然与澳大利亚的标本相似，但都没有完好保存口部结构。和导师张志飞深入探讨后，他们共同认为还是需要继续寻找和等待，等待完备的证据发现才能逻辑严密，这是师徒共同坚守的学术标准。

终于，功夫不负有心人。2019年，他们如愿在澳大利亚弗林德斯山脉附近找到了非常关键的一枚化石。兴奋之余又冷静下来，将国内外苔藓动物专家请教遍了，最终决定把文章目标聚焦Nature。

澳大利亚弗林德斯山脉寒武纪地层

支撑材料成稿过程中，各方向专家应邀加入了研究工作，共同完善扫描电镜（SEM和BSEM)、X射线断层扫描（-CT）、3D可视化、系统学数据分析等研究，将学科交叉融合的优势发挥到极致。

化石扫描细节

经过2年半的团队研究，发现这些化石呈现对称网状，背对背两面覆有表皮细胞分泌几丁质虫室。虫室缺乏明显的矿化，纵向5列或7列交替排列，显示清楚的模块化几何特征，整体外形呈叶状。化石研究表明苔藓动物虫室整齐的几何排列和复杂性的模块化生长起源于5.3亿年前，这是寒武纪大爆发重要的生态创新。

经过52个特征，18个类群和2个外群的最大简约法和贝叶斯分支系统学分析研究，表明化石苔藓动物门房原始蜂巢虫（Protomelission gatehousei）代表化石和现生苔藓动物的基干类群，为最原始祖先类型。

贝叶斯分支系统学分析结果

文章改到第20版，往来邮件两百多封后，张志飞师徒认为，时机到了！2021年8月3日，他们向Nature投出文章及文件附件，两周后便得到了官方初审通知。

博士成果，是创新是底气更是必然

2013年，88年的张志亮从中北大学物理系跨考进入西北大学地质学系古生物学与地层学专业学习，师从张志飞教授。自此开启了他与石头打交道的日常。

在导师的指导下，他开始从事石灰石中壳体化石的研究。“醋酸溶解后，经过几个月的周期，微型化石得以大量显现，每一次都是令人激动的‘拆盲盒’”。兴趣使然，张志亮选择直博，因缘际会成为张志飞的第一位博士研究生。“基础差、底子薄、起步晚”是张志亮对自己的评价，但张志飞老师说，只要有兴趣、愿意干，才是最重要的。

湖北宜昌地区野外：张志飞（中）、陈飞扬、张志亮（右）合影

博士期间，张志亮几次申请国家留学基金委奖学金未果。依托“一流学科”的坚实后盾，2015年及2017年在导师张志飞杰青项目资助下先后两次赴瑞典乌普萨拉大学交流学习近15个月，考察了英国、爱沙尼亚和瑞典等多个国家的相关地层。

这段时间张志亮在考察地层、踏勘调研、材料分析、手稿撰写等方面都有了“飞跃”性的提高。“即使远隔万里，张志飞老师依旧紧密监督我，时刻关注我的学习状况，一步步教会我如何从材料中提取有效信息，撰写文章。”

课余，他抓住机会与国外学术大咖交流，“利用喝咖啡的时间扩充知识”。假期，他就去野外踏勘，收集材料。正是有了这段经历，张志亮养成了全局思考问题的习惯。

国际寒武纪大会报告

他在乌普萨拉大学现代化石生物学实验室学习期间，利用先进设备，将手中的材料进行分析，制样、扫描成像、归档整理。2017年，张志亮新发表了3篇SCI，在寒武纪腕足动物个体发育和异速生长方面取得了重要进展和原始突破，提出了乳孔贝腕足动物的发育模型。

张志亮与国外导师Lars Holmer 在乌普萨拉大学

“事业后继有人”是张志飞老师最骄傲的事情“能力、人格和担当是我培养学生的基础标准，研究过程中，给方向、给平台、给支持、给信任是我的义务与责任。所以我资助他全额出国，他很有兴趣，很投入，也很细心。”2018年，张志亮获西北大学博士学位，同年经过选拔获得澳大利亚4年期的麦考瑞大学研究资助（Macquarie University Research Fellowship）。其学位论文先后入选西北大学优秀博士学位论文和2020年度陕西省优秀博士学位论文。

谈及师生间的默契关系，张志飞说：“老师把握好方向、说清楚意义，及时跟踪指出进展问题，接下来就是要充分相信学生的创造力！”

博士期间的学习经历为张志亮积蓄了宝藏般的学术实力，除了掌握多维度的数据资源，更多是在张志飞老师坚持“以我为主、国际合作、联合培养”桥梁似的纽带下，连通的国际化思维与视野。

张志飞老师领导的国际合作野外考察

“只要学生努力认真，我们有实力、有能力、有信心，把你培养成为地质学拔尖人才”张志飞说，这也是地质学系专业教师们的共同信仰。从院士到零基础的学生，西大地质人时刻都在用心、用情、用实力打造“学在地质”的精品育人品牌。

图文来源于西北大学官微