分析5.58億年前膽固醇,追尋最古老的埃迪卡拉紀動物

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膽固醇(cholesterol)是一種脂質,想必各位讀者都耳熟能詳,它對生命不可或缺-不但形成生物的結構,也參與訊息的傳遞,而且不僅人類,幾乎所有動物都是如此。最近發表的論文利用此一動物共通的特徵,判斷史上古老的動物,至少在 5 億 5800 萬年前已經存在了![1]

埃迪卡拉生物群-五億多年前的複雜生命體

講到生命的早期演化,也許很多讀者聽過「寒武紀大爆發(Cambrian Explosion)」。寒武紀是介於 4.85 到 5.41 億年前的地質時期,那時地球誕生了多彩多姿,卻和後來很不一樣的生物們,由化石記錄判斷,可以肯定那時候已經有多種動物存在。[2]

然而,其實比寒武紀更早以前,就已經有不少風格與寒武紀不同,型態卻也相當多元的生物出現。這批生物生活在 5.41 到 5.71 億年前,統稱作「埃迪卡拉生物群(Ediacara Biota)」。自從 1946 年在澳洲首度出土以來,俄羅斯、中國、加拿大等地都出土過埃迪卡拉紀的生物。

埃迪卡拉生物群由外形判斷,包含很多物種,其中應該有數種真核生物。可是這批陳年化石能提供的資訊實在太過有限,光靠模糊的型態,往往很難進一步明確區分它們究竟是動物、植物、藻類、原生生物,甚至是早已滅絕,不為人知的生命型態。

保存數億年的古老脂質

生物靠著合成核酸、蛋白質、糖類、脂質分子維持生命,而不同生物利用的化學結構不太一樣,藉由分析生物大分子的種類,也能判斷生物所屬的歸類。一如光憑型態,很難判斷智人與尼安德塔人間是否有過遺傳交流,但是只要取得尼安德塔人的古代DNA,與智人比對後,即可順利解答相關問題。

儘管距今超過 5 億年的埃迪卡拉生物群,早已不可能有任何核酸分子殘存,不過仍有機會保留著脂肪酸衍生物。所有真核生物都會合成並利用固醇(sterol),建造生物膜與傳遞訊息;當生物去世後,固醇會轉型為結構上更穩定的甾烷(sterane),有望保存數億年之久。[3]

對古生物學家而言,幸運的是,不同真核生物使用的固醇種類截然不同,常見原料有含有 27 個碳的膽固醇(cholesterol)、28 碳的麥角固醇(ergosterol),以及 29 碳的豆固醇(stigmasterol)。靠著分析組成比例,就能分辨樣本來自哪個生物類群。

可惜大部分古老地層,數億年來都經歷過高溫高壓的摧殘,即使仍然保有生物的型態,也偵測不到任何生物大分子,所幸俄羅斯西北部的白海(White Sea)地區是個例外。俄羅斯的科學家 Ilya Bobrovskiy 搭乘直升機深入異境,由此處懸崖取得一批寶貴的樣本,送往澳洲國立大學分析,至今雖然只發表到第 2 篇論文,成果卻都十分驚人![4]

綠藻與藍菌

白海的埃迪卡拉化石保存著好幾種生物,2018 年一月發表的論文著重在 Beltanelliformis。研究團隊為求謹慎,不只分析化石生物本身,也分析化石周圍的岩石組成,發現兩者的成分截然不同。[5]

生物周圍的樣本內含 8% 膽固醇、5% 麥角固醇,卻有高達 87% 的豆固醇;若是與現在的生物一致,脂質組成以豆固醇為絕對大宗的生物,應該是屬於真核生物的綠藻(Chlorophyta)。此結果符合預期,因為埃迪卡拉生物群都住在海裡,而當時的海床佈滿底棲微生物,若是生物去世後形成化石,周圍應該會充滿這些藻類。

Beltanelliformis 化石本身的甾烷中,雖然也以豆固醇比例最高,卻又同時偵測到含量多達甾烷 3.6 倍的藿烷(hopanes)-這不是真核生物,而是細菌的特徵。論文最後判斷,生物分類上 Beltanelliformis 屬於藍菌門(Cyanobacteria)的一員。此一實驗證實,這套分析方法足以區分化石生物本身與周圍的差異,足以信賴!

史上最古老動物,合成的陳年膽固醇

接下來,研究團隊再接再厲分析 Dickinsonia 與 Andiva 兩種化石。Dickinsonia 是最早為人所知的埃迪卡拉生物之一,中文翻譯作「狄金森蠕蟲」或「狄金森水母」,外形看來它們有體節,最大可達 1.4 公尺;有人認為它是動物,也有人主張是巨型的原生生物(protist),或是長成一圈的地衣(lichens,真菌和綠藻的共生體)。總之光靠型態,很難釐清狄金森的身世(也因此蠕蟲、水母一類的稱呼並不太適當)。

夾在狄金森化石上下方的樣本,膽固醇介於 10.6 到 11.9%、麥角固醇 13.4 到 16.8%、豆固醇 71.3 到 76%,以豆固醇為主,所以原本多半是綠藻,也就是典型的埃迪卡拉風格。而狄金森化石本身,豆固醇只有 5.2%、麥角固醇 1.8%,剩下 93% 都是膽固醇。

進一步分析各種結構分子的比例,論文估計狄金森原本的脂質中至少 99.7% 是膽固醇,符合典型的動物特徵(Andiva 化石本身的脂質組成,比例與周圍樣本差不多,論文並未多加描述,不過似乎能推測它不是動物)。絕大部分動物都以製造膽固醇為主,假如最初的動物也是如此,那麼生活在 5.58 億年前的狄金森,就是已知最古老的動物。

狄金森和隨後的動物之間有什麼關係,目前仍曖昧不明。不過如今堅實的證據指出,比寒武紀大爆發更早之前,早在埃迪卡拉紀那麼古老的年代,體型超過一公尺的大型動物就已經存在於世了。

文/寒波

參考文獻:
1. Ancient steroids establish the Ediacaran fossil Dickinsonia as one of the earliest animals
http://science.sciencemag.org/content/361/6408/1246
2. 寒武紀大爆發為何發生?是因為氧、掠食者亦或是地磁反轉無情的捉弄?
http://neanderthaldna.pixnet.net/blog/post/192031699
3. Chemical clues to the earliest animal fossils
http://science.sciencemag.org/content/361/6408/1198
4. Fat from 558 million years ago reveals earliest known animal
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-09/anu-ff5091818.php
5. Bobrovskiy, I., Hope, J. M., Krasnova, A., Ivantsov, A., & Brocks, J. J. (2018). Molecular fossils from organically preserved Ediacara biota reveal cyanobacterial origin for Beltanelliformis. Nature ecology & evolution, 2(3), 437.

(作者部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名的粉絲團《同名的粉絲團》,歡迎參觀、拍打、與餵食)

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