中国古生物学研究将地球多细胞生物进化提前6亿年

包括人类的动物和树木是多细胞生物，也是我们最熟悉的生命形式，但地球上更多更古老的生命形式是单细胞微生物，单细胞先是原核，然后是真核，真核包括单细胞酵母藻类和多细胞动物植物等，多细胞生命本来认为是10亿年前才出现的非常晚期生命形式，但是最近来自中国古生物学领域的研究带来新的信息，提示这个过程远远早过预期，颠覆了过去认识，多细胞生命可能16亿年前就已经出现。考虑到这种进化过程的高难度，真正出现多细胞生命的时间可能更早很多。

中国拥有16.35亿年前微小的藻类化石的川陵沟组。

一项新的研究描述了一种可追溯到16亿年前的微观藻类化石，这支持了这样一种观点，即我们周围看到的复杂生命的标志之一——多细胞性——比以前认为的要古老得多。连同最近的其他研究，今天发表在《科学进展》上的化石表明，被称为真核生物的谱系 - 其特征是分隔的细胞，包括从红杉到水母再到人类的所有复杂生命形式 - 比科学家曾经普遍认为的要早约6亿年成为多细胞。

“这是一篇很棒的论文，”明尼苏达大学的进化生态学家迈克尔·特拉维萨诺（Michael Travisano）说，他帮助证明了酵母可以在实验室中变成多细胞细胞。“这让我们对生活的宏伟愿景有了更好的了解。

通常，生物学家将这一宏伟的愿景细分为两类：真核生物，其DNA被包装成细胞核，以及原核生物，如细菌，具有自由漂浮的DNA。原核生物最早进化，距今可达 39 亿年前;在几亿年内，其中一些蓝藻开始形成细胞链，被认为是生命复杂性的进步。大约20亿年前，出现了更大的单细胞真核生物。几十年来，研究人员认为真核生物直到出现10亿年后才形成简单的多细胞结构，一旦链状结构进化，不久之后就会出现更复杂的身体计划——有器官的动物。“有一种看法认为多细胞性很难[进化]，”特拉维萨诺说。

然后在 1989 年，研究人员描述了 Qingshania magnifica，他们认为这是一种原始绿藻，一种多细胞真核生物。没有人太在意这一发现，尽管它来自中国北方的川灵沟组，其中包括16亿年前的地层。但自2015年以来，中国科学院南京地质古生物学研究所的古生物学家朱茂岩和苗兰云从同一地区收集了岩石，对其进行溶解，最终发现了279块微观化石，其中只有一块是栎树的标本。

在今天的论文中，他们报告说，这些化石由多达20个圆柱形细胞组成，相邻的细胞壁就像植物一样，在显微镜下可见为深色环。一些化石有孢子 - 有自己的细胞壁 - 表明这些细丝具有特殊的生殖结构。

“这些化石的惊人之处在于，它们在那个时代确实相当巨大，而且它们是多细胞的，”澳大利亚国立大学的有机地球化学家Jochen Brocks说。佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的进化生物学家威廉·拉特克利夫（William Ratcliff）也从事多细胞酵母的研究，他补充说，古代生命中揭示的内部细节水平给他留下了深刻的印象。“看到那些内部孢子状的隔间，我有点多巴胺。”

苗兰云等对这些化石进行了化学测试，发现其有机碳化合物的结构与这些岩石中的蓝藻化石不同。她的团队得出结论，这些细丝很可能是绿藻，类似于现代真核生物，如Urospora wormskioldii。

“作者在解释化石方面做得值得称赞，”瑞典自然历史博物馆名誉古生物学家斯特凡·本特森（Stefan Bengtson）说。“这些是丝状绿藻的假设是一个好的开始。”

这些新发现建立在Bengtson及其同事在2017年报告的工作基础上，当时他们提出在印度发现的16亿年前的化石代表了红藻。2021 年，另一个团队在加拿大的沉积物中描述了“有壁的微化石”，他们将其解释为一组不同的真核生物，其历史可以追溯到 15.7 亿年前。就在上个月，加州大学圣塔芭芭拉分校（University of California， Santa Barbara）的古生物学家利·安妮·里德曼（Leigh Anne Riedman）和苏珊娜·波特（Susannah Porter）及其同事描述了他们所说的在澳大利亚16.42亿年前的岩石中发现的几块真核生物化石。

Riedman指出，在这些早期形式的多细胞生命中发现的身体计划的多样性令人震惊。有些是带有腔室的圆柱形。其他的则是球形的。其中一个的盖子似乎打开了，可能是为了摆脱细胞的内容物。“所有迹象都表明，此时真核生物比以前所意识到的更加多样化和复杂，”她说。

如果简单但多样的多细胞形式出现得如此之早，那么复杂的多细胞进化所需的时间比大多数研究人员想象的要长得多;直到不到10亿年前，第一批具有无法直接进入外部环境的器官和细胞的生物才出现。对于弗吉尼亚理工学院和州立大学的地球生物学家和古生物学家肖舒海来说，这种延迟的时间线是有道理的。他解释说，真正复杂的真核生物“有多个细胞，它们保持在一起，相互交流，并具有不同的大小、形状和功能。“（取得这样的进展）需要时间。”

如果最近的研究结果成立，那么它们是“非凡的”和变革性的，匈牙利研究网络生物研究中心的进化生物学家拉斯洛·纳吉（László Nagy）说。但他对声称与活藻类相似性持谨慎态度。“将一个有16亿年历史的生物与现存的生物进行比较是具有挑战性的，”纳吉说。“这是如此之长的时间，以至于与现存生物的任何相似之处都可能是偶然的。拉特克利夫说，这些生物甚至可能不是真核生物：“（这些化石）可能只是超级奇怪的细菌，与现存物种不同。

但哈佛大学古生物学家安德鲁·诺尔（Andrew Knoll）是《科学进展》论文的合著者，他说，数据和细胞壁的存在 - 原核生物缺乏 - 足以证明。“如果在[4亿年前的]泥盆纪岩石中发现这种物质，人们会将其描述为藻类，没有人会眨眼，”他说。

川灵沟组的栎（Q. magnifica）显微照片。

（A） 具有恒定宽度和深色窄横带的五细胞细丝的 TL 显微照片。（B）（A）的SEM图像显示表面特征和保存为完全压缩。请注意，右侧终端单元的倾斜压缩横壁显示光滑的表面，没有其他特殊特征。（C至E）的放大倍数（B），显示光滑的壁表面和相邻细胞之间明确的接触，表现为沿横向带的非常浅的凹槽（用青色箭头标记）。

细胞是地球上生命的基本单位（1）。最早的生物很可能是单细胞的，许多分支仍然以单细胞的形式完成其生命周期。也就是说，多细胞性在细菌和真核细胞中多次出现 （2， 3）。这些分支大多由简单的多细胞生物组成，具有细胞间粘附性，但组成细胞之间的交流或分化有限;复杂的多细胞性，具有更强的定向细胞间通讯和更明显的细胞和组织分化，仅在真核细胞内出现过 6-7 次 （2， 3）。

多细胞的进化是一个历史和过程的问题，古生物学记录可以潜在地告诉我们多细胞真核生物何时以及在什么条件下首次进化。在几大洲发现的化石表明，在海洋中，简单的多细胞真核生物（如单丝状细丝和coenobia）早在复杂的多细胞动物和藻类出现之前就已经出现（2,3）; 原核多细胞性甚至进一步延伸到太古宙 （4）。相对丰富的中元古代晚期至新元古代早期种群包括被解释为红色[短柔毛鲷，~10.5亿年（马），加拿大北极（5,6）]或绿色[Proterocladus antiquus，~950 马，华北（7）]藻类，以及推定的早期真菌[Ourasphaira giraldae，~890 马，加拿大北极（8）]和真核生物问题，包括Eosolena loculosa [~1030 马，西伯利亚 （9）]，Arctacellularia tetragonala [~1000 马，刚果 （10）]和古毛类 [~950 马，加拿大西北部 （11）]。细胞保存的微化石，如来自西伯利亚北部的Eosolena minuta（12）和来自华北的分米级碳质压缩（13）的不太常见的记录，将真核生物多细胞性的记录追溯到中元古代早期。如果它们的地层位置得到正确解释，那么来自印度的磷化微化石（14）将大大增加这一记录。来自印度的卷曲带状大型化石 Grypania 不仅显示出与真核亲和力一致的多细胞性和大尺寸的明确证据 （3），而且还被解释为可能的巨型蓝藻 （15）。Grypania的其他共生（16）和较早的记录（17）更具争议性，因为缺乏保存的细胞结构，就像加蓬~2.1-Ga页岩（18）报道的黄铁矿宏观结构和中国北方~1630-马团山子组（19）的碳质压缩一样，其生物起源尚不确定。

早在1989年，Yan（20）就从华北古元古代晚期穿灵沟组的页岩薄片中描述了大片状丝状细丝，细胞直径可达250 μm，并被解释为原始绿藻。由于所描述材料的图像质量很差，而且发表在相对难以获取的期刊上，本报告自发表以来很少受到关注。在这里，我们重新审视了古元古代多细胞性的问题，并报告了从华北燕山山脉川灵沟组页岩中提取的丰富、有机保存的多细胞细丝。它们的整体形态和大小范围以及地层位置表明，这些细丝可以归入 Q. magnifica。我们的材料揭示了明显的形态细节和附加特征（例如，球状细胞内结构），结合光谱证据，为将这些化石解释为真核生物提供了强有力的支持，从而表明真核生物在该领域历史的早期进化出简单的多细胞性，并可能进行光合作用。