分析5.58亿年前胆固醇,追寻最古老的埃迪卡拉纪动物

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胆固醇(cholesterol)是一种脂质,想必各位读者都耳熟能详,它对生命不可或缺-不但形成生物的结构,也参与讯息的传递,而且不仅人类,几乎所有动物都是如此。最近发表的论文利用此一动物共通的特征,判断史上古老的动物,至少在 5 亿 5800 万年前已经存在了![1]

埃迪卡拉生物群-五亿多年前的复杂生命体

讲到生命的早期演化,也许很多读者听过“寒武纪大爆发(Cambrian Explosion)”。寒武纪是介于 4.85 到 5.41 亿年前的地质时期,那时地球诞生了多彩多姿,却和后来很不一样的生物们,由化石记录判断,可以肯定那时候已经有多种动物存在。[2]

然而,其实比寒武纪更早以前,就已经有不少风格与寒武纪不同,型态却也相当多元的生物出现。这批生物生活在 5.41 到 5.71 亿年前,统称作“埃迪卡拉生物群(Ediacara Biota)”。自从 1946 年在澳洲首度出土以来,俄罗斯、中国、加拿大等地都出土过埃迪卡拉纪的生物。

埃迪卡拉生物群由外形判断,包含很多物种,其中应该有数种真核生物。可是这批陈年化石能提供的资讯实在太过有限,光靠模糊的型态,往往很难进一步明确区分它们究竟是动物、植物、藻类、原生生物,甚至是早已灭绝,不为人知的生命型态。

保存数亿年的古老脂质

生物靠着合成核酸、蛋白质、糖类、脂质分子维持生命,而不同生物利用的化学结构不太一样,借由分析生物大分子的种类,也能判断生物所属的归类。一如光凭型态,很难判断智人与尼安德塔人间是否有过遗传交流,但是只要取得尼安德塔人的古代DNA,与智人比对后,即可顺利解答相关问题。

尽管距今超过 5 亿年的埃迪卡拉生物群,早已不可能有任何核酸分子残存,不过仍有机会保留着脂肪酸衍生物。所有真核生物都会合成并利用固醇(sterol),建造生物膜与传递讯息;当生物去世后,固醇会转型为结构上更稳定的甾烷(sterane),有望保存数亿年之久。[3]

对古生物学家而言,幸运的是,不同真核生物使用的固醇种类截然不同,常见原料有含有 27 个碳的胆固醇(cholesterol)、28 碳的麦角固醇(ergosterol),以及 29 碳的豆固醇(stigmasterol)。靠着分析组成比例,就能分辨样本来自哪个生物类群。

可惜大部分古老地层,数亿年来都经历过高温高压的摧残,即使仍然保有生物的型态,也侦测不到任何生物大分子,所幸俄罗斯西北部的白海(White Sea)地区是个例外。俄罗斯的科学家 Ilya Bobrovskiy 搭乘直升机深入异境,由此处悬崖取得一批宝贵的样本,送往澳洲国立大学分析,至今虽然只发表到第 2 篇论文,成果却都十分惊人![4]

绿藻与蓝菌

白海的埃迪卡拉化石保存著好几种生物,2018 年一月发表的论文着重在 Beltanelliformis。研究团队为求谨慎,不只分析化石生物本身,也分析化石周围的岩石组成,发现两者的成分截然不同。[5]

生物周围的样本内含 8% 胆固醇、5% 麦角固醇,却有高达 87% 的豆固醇;若是与现在的生物一致,脂质组成以豆固醇为绝对大宗的生物,应该是属于真核生物的绿藻(Chlorophyta)。此结果符合预期,因为埃迪卡拉生物群都住在海里,而当时的海床布满底栖微生物,若是生物去世后形成化石,周围应该会充满这些藻类。

Beltanelliformis 化石本身的甾烷中,虽然也以豆固醇比例最高,却又同时侦测到含量多达甾烷 3.6 倍的藿烷(hopanes)-这不是真核生物,而是细菌的特征。论文最后判断,生物分类上 Beltanelliformis 属于蓝菌门(Cyanobacteria)的一员。此一实验证实,这套分析方法足以区分化石生物本身与周围的差异,足以信赖!

史上最古老动物,合成的陈年胆固醇

接下来,研究团队再接再厉分析 Dickinsonia 与 Andiva 两种化石。Dickinsonia 是最早为人所知的埃迪卡拉生物之一,中文翻译作“狄金森蠕虫”或“狄金森水母”,外形看来它们有体节,最大可达 1.4 公尺;有人认为它是动物,也有人主张是巨型的原生生物(protist),或是长成一圈的地衣(lichens,真菌和绿藻的共生体)。总之光靠型态,很难厘清狄金森的身世(也因此蠕虫、水母一类的称呼并不太适当)。

夹在狄金森化石上下方的样本,胆固醇介于 10.6 到 11.9%、麦角固醇 13.4 到 16.8%、豆固醇 71.3 到 76%,以豆固醇为主,所以原本多半是绿藻,也就是典型的埃迪卡拉风格。而狄金森化石本身,豆固醇只有 5.2%、麦角固醇 1.8%,剩下 93% 都是胆固醇。

进一步分析各种结构分子的比例,论文估计狄金森原本的脂质中至少 99.7% 是胆固醇,符合典型的动物特征(Andiva 化石本身的脂质组成,比例与周围样本差不多,论文并未多加描述,不过似乎能推测它不是动物)。绝大部分动物都以制造胆固醇为主,假如最初的动物也是如此,那么生活在 5.58 亿年前的狄金森,就是已知最古老的动物。

狄金森和随后的动物之间有什么关系,目前仍暧昧不明。不过如今坚实的证据指出,比寒武纪大爆发更早之前,早在埃迪卡拉纪那么古老的年代,体型超过一公尺的大型动物就已经存在于世了。

文/寒波

参考文献:
1. Ancient steroids establish the Ediacaran fossil Dickinsonia as one of the earliest animals
http://science.sciencemag.org/content/361/6408/1246
2. 寒武纪大爆发为何发生?是因为氧、掠食者亦或是地磁反转无情的捉弄?
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》、同名的粉丝团《同名的粉丝团》,欢迎参观、拍打、与喂食)

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