一 一个十五岁的男孩
1957 年春天,英格兰中部莱斯特附近的查恩伍德森林。一个十五岁的男孩和两个朋友去攀岩,在一处废弃采石场的岩壁上,看见一个叶子形状的印痕。它有二十多厘米长,中间一根主轴,两侧排着规则的分枝,看上去像一片羽毛,或者一片蕨叶。
男孩叫罗杰·梅森。他拓了一张拓片带回家。他的父亲是当地的牧师,认识莱斯特大学的地质学家特雷弗·福特。
福特去现场看过,第二年正式发表并命名了它:属名取自查恩伍德,种名纪念梅森,叫梅森查恩虫。这块化石至今陈列在莱斯特的博物馆里。梅森后来自己也成了地质学家,晚年在武汉的中国地质大学任教。
梅森不是第一个看见它的人。前一年,一个同样十五岁的女孩蒂娜·内格斯,在同一片林子里也看见了一块类似的印痕。
她回学校问老师,老师告诉她,那片岩石是前寒武纪的,前寒武纪的岩石里没有化石。她就没有再问下去。半个世纪以后,她的这段经历才被写进这块化石的发现史。
再往前二十年,莱斯特还有一个男孩,常在周末骑车去乡下找化石。他的父亲是莱斯特大学学院的院长,他后来成了拍自然纪录片的大卫·爱登堡。
他晚年说过,他从来没想过去查恩伍德找,因为所有人都知道那里的岩石是前寒武纪的,里面什么也没有。第四节还会说到他。
"所有人都知道"的那件事,有一个来源。达尔文在《物种起源》里就为此发愁过:寒武纪的化石一上来就很复杂,而它们下面什么也没有。
到二十世纪中叶,寒武纪以前的地层里不该有大型的,结构复杂的生物,已经是教科书上的常识。一件"前寒武纪的大型化石",直接落在这个缺口上。
在此之前,类似的东西已经被报告过好几次,每一次都被两句话挡了回去:岩层的年龄搞错了,或者那根本不是生物。
1868 年,今天属于加拿大的纽芬兰发现了一些圆盘状的印痕,1872 年,加拿大地质调查局的古生物学家比林斯给它们起了名字。它们来自当时被认为早于一切复杂生命的地层,后来的学者宁愿把这些圆盘解释成无机的结核。
要到二十世纪末重新研究模式标本,这个名字才重新站住。二十世纪三十年代前后,德国学者在西南非洲,也就是今天的纳米比亚,描述了一批软体的大型化石。当时没有可接受的前寒武纪大型动物框架,这些材料长期被放进寒武纪去理解。
1946 年的澳大利亚发现,离突破最近。二十七岁的地质学家斯普里格在南澳大利亚弗林德斯山脉的埃迪卡拉山地,检查几处废弃的矿坑能不能重新开采。
据说他是在坐下来吃午饭时翻过一块砂岩,看见了上面的盘状印痕。他 1947 年发表的论文,标题写的是弗林德斯山脉的早寒武世水母,只是在"早寒武世"后面,加了一个括号,括号里是一个问号。那个问号记录了一个人同时相信两件互相冲突的事:这东西看起来太老了,而太老是不可能的。
查恩伍德的不同在于,那片岩层的年龄,在化石被发现以前就已经确定了。依据是区域地层关系和上下岩层的对比,一件化石也没有用上。
定年的证据和化石的证据互相独立,"其实那层岩石是寒武纪的"这条退路,在这里走不通。剩下的只有两个选项:要么承认前寒武纪已经有大型复杂生物,要么证明这个印痕不是生物。那片叶子的规则程度,让第二条路也很难走。
把问题从一件奇物变成整片海底的,是纽芬兰。1967 年,纽芬兰纪念大学一位来自印度的研究生米斯拉,在阿瓦隆半岛南岸测绘前寒武纪地层,在海边的岩面上看见了成百上千的化石。那一段海岸叫错点,名字来自早年的海难:雾天里,船长常把它错当成附近的另一个海角,一转舵就撞上礁石。
那里的很多层面被火山灰瞬间盖住,像庞贝城那样,整个群落被原地埋下。保存下来的是一片海底的快照:同一层面上的所有个体,是同时活着的。
于是可以数它们的密度,看它们的排列,比较大小的分布。错点在 2016 年被列为世界遗产。俄罗斯白海岸边的悬崖是另一处宝地,研究从二十世纪七十年代开始。
那里的悬崖每年春天冰雪一化,就塌下一层,把新的化石层露出来。那里原是浅海,个体保存精细,身体和它们留下的行为痕迹,能在同一层面上连起来。
这个时代本身,是 2004 年才成为正式地质年代单位的。它的底界标准剖面选在南澳大利亚弗林德斯山脉的一条溪谷里,岩面上嵌着一枚铜牌,标出那条线的位置,约六亿三千五百万年前。这是约一百二十年来,国际地质年代表第一次增加一个新的纪,名字就叫埃迪卡拉纪。
年代定下来了,归属却没有。同一个时间框架里,并排摆着一批彼此完全不同的身体。这一篇要讲的,是人们怎样一次次试着把它们放进格子,以及那些格子为什么总装不下。
二 有些什么
先只描述,不急着给归属。
最早被认出的一大类,是查恩虫那样的叶状体,现在统称兰奇形类。名字来自纳米比亚的一个属兰奇虫,兰奇虫的名字,取自一位在那里做过调查的德国地质学家兰格。
它们最要紧的特征,是身体按同一个模块反复递归。从主轴长出一级分枝,一级分枝本身又由形似整体的二级,三级甚至四级小分枝组成。
你把它的一小段放大,看上去还是整体的样子。一棵树的小枝和主干形状并不相同,而这类化石的每一级单元,都在重复同一个图案。
定量研究得到的分形维数因属而异,大约在一点六到二点四之间,说明它们在有限的厚度里,把表面积堆到了极大。现生的珊瑚,海扇,菌丝体和植物都能长成分枝的外形,却没有一种是这样一级套一级,每一级都复制整体的造法。
它们像植物,却不靠阳光过活。错点的那些群落生活在几百米以下的深水里,光照不到。那么大的表面积,更可能是用来从海水里吸收溶解的养分和氧。
它们也会繁殖。2015 年,剑桥的研究者借用分析森林里树木分布的统计方法,测量了纽芬兰三个岩面上上千个个体的位置,发现一种纺锤形的叶状体一簇一簇地长,每簇里大个子周围围着一圈小个子,排列的样子,像草莓用匍匐茎往外伸出新苗。
叶状类的尺寸跨度很大。有的只有厘米级,部分叶状和纺锤状的个体可达米级,极端的接近两米。
扁平,卵形,带横纹的一类里,最醒目的是狄更逊水母。它由斯普里格命名,纪念当时南澳的矿务局长狄更逊,中文名里的水母两个字,是早年误认留下的。
它从不足四毫米长到约一点四米,整体又薄又扁,沿纵轴排着大量肋状单位,像一张椭圆的气垫床。同一个层面上常常大大小小铺满一地,从指甲盖大到脸盆大,这让研究者能看它怎样长大:新的单元从一头一节一节加上去,老的单元随着身体一起变宽。
左右两排单元究竟是严格镜像,还是略微错开,一直是争论的焦点。这个区别听上去很小,分量却极重:严格镜像,是环节动物那种体节的特征。
左边的单元对着右边两个单元之间的缝,这样的排法在现生动物里几乎找不到。所以看见横纹,还得先看是哪一种横纹。
三辐射对称的一类,最典型的是三腕虫。它通常保存成直径几毫米到五厘米的圆形低浮雕,中央三条弯曲的主臂,间隔约一百二十度,朝同一个方向旋转,像一个三叶的风车。
流体力学模拟显示,这样的身体能扰动水流,让水里的颗粒落到特定的位置。现生动物里,左右对称,辐射对称,五辐射对称都有现成的归属,五辐射对应海星和海胆那一门。三辐射的成体身体,在现生动物里一门也没有。
明显左右对称,又和取食痕迹连在一起的,是金伯拉虫。它的名字纪念一位早逝的化石采集者金伯,他 1964 年在去澳大利亚中部的考察途中遇难。它呈椭圆到梨形,有前后,有左右,大的可达十余厘米。
和它的身体化石反复一起出现的,是一组组扇形排列的成对刮痕。刮痕一道一道改变半径,像一个人坐在原地,用耙子刮面前的地面,每刮一道就转一点角度。它刮的是海底那层微生物席。最要紧的是,这些刮痕常常直接连着一具尸体:能看见是谁刮的。
绝大多数遗迹化石,都不知道是谁留下的。身体和痕迹配上了对,信息量就高了一个层级:它不只证明有东西动过,还给出取食的方向,动作的重复,以及工作器官怎样接触地面。只是化石里没有保存那件刮食的器官本身。
还有一类半埋在泥里。纳米比亚的埃尔尼埃塔是袋状或杯状的立体身体,大量个体以一半插进沉积物的姿势保存下来,复原时要把它画成立在泥里的样子。
这一类常和别的放在一起讨论,因为都有绗缝,管列,分室的外观,像一床缝出格子的褥子。外观相近,是它们被放在一起的全部理由。
管状化石的成分最杂:成群的细长软管,厘米级的有机管,还有一节节杯形管节套叠起来的克劳迪管。克劳迪管已经矿化,是已知最早长出硬壳的动物之一,名字纪念美国古生物学家克劳德。
遗迹化石是一点一点变复杂的。较早的层位里已有简单的表面拖迹和席下取食迹。到约五亿五千一百万到五亿三千九百万年前,出现了更明确的连续移动迹和浅潜穴。大多数埃迪卡拉的痕迹局限在微生物席表面,或者紧贴其下几毫米到几厘米的浅层,还没有大规模翻搅整个沉积层。
最后是两个数字。整个宏体记录的尺寸至少跨越三个数量级,从几毫米到接近两米,"埃迪卡拉生物"没有一个典型尺寸。
有多少属种,也没有一个稳定的整数。专业数据库概括为约两百个已描述的宏体物种。更宽的历次命名清单能数出约两百四十七个属名,其中约一百六十四个被整理者视为有效,里面还夹着大量同物异名和疑难化石。
命名本身也带着人的痕迹。2018 年,南澳发现的一种小圆盘被命名为奥巴马虫,纪念刚卸任的美国总统。同年,另一种葡萄干大小的椭圆形小化石被命名为爱登堡虫,纪念那个小时候没去查恩伍德找化石的人。一个类群的成员数,取决于有多少名字被判为有效,而这是一个一直在修订的过程。
三 被放进过哪些格子
第一阶段,是逐个寻找现生动物门里的相似物。
斯普里格 1947 年直接把南澳的盘状体描述成水母。他把发现寄给《自然》,被退了稿。第二年,他在伦敦的国际地质大会上报告,几乎没有人当回事。
转机来自奥地利出生,在阿德莱德大学任教的格莱斯纳。二十世纪五十年代末,他把埃迪卡拉山地的化石和世界各地的同类材料放在一起比较,确认它们属于寒武纪以前。斯普里格自己后来转行去找石油,又在弗林德斯山脉北端买下一片牧场,办成了一处野生动物保护区。
此后二十多年,格莱斯纳和同事们的总体思路是:圆盘和放射状的身体对应水母一类的腔肠动物,叶状体对应海笔,左右重复单位的扁平体对应环节动物或者节肢动物。这个框架的吸引力很直接:只要前寒武纪已经有现代门类的早期成员,奇怪的外形就可以解释成"保存不完整的熟悉动物"。
狄更逊水母曾被明确放进环节动物。1966 年有人把它横向重复的单位解释成体节,1972 年又按沙蚕那样的多毛类重建出来。可后来的大量标本,没有显示可靠的口,肛门,肠道,疣足,也看不到内部分节,左右的"体节"还可能是错开的。
查恩虫一类长期被放进海笔。它们都有主轴和两侧重复的"叶片",远看很像。海笔是刺胞动物,一整棵由许多小息肉组成,每个息肉有触手和口,今天在深海的泥底上成片地立着,有的碰一下会发光。
查恩虫的分枝,却是由更小一级的自相似模块组成的,找不到一个息肉。远看像,近看是两种完全不同的造法。
这批"现代门的祖先"后来一个个退出,每一例都是某条判据失效。早期工作最常用的是轮廓类比:圆盘像水母,羽叶像海笔,横纹像环节。
现代的系统发育要的,是可以和其他类群比较的同源性状。第二篇讲过这个区分:相似可以来自共同祖先,也可以来自各自独立演化成相似的样子,只有前者能用来建树。许多埃迪卡拉模铸只剩外轮廓,重复单元和表面纹理,"长得像"一旦不作数,能拿来诊断门的性状就所剩无几。
第二套方案另起炉灶。德国图宾根大学的塞拉赫一辈子研究遗迹化石,1989 年前后,他提出这批生物是一个与动物界并列,已经完全灭绝的大类群,后来定名为文德生物。
他认为它们共用一种"气垫"式的建筑:身体由一排排充液的分室构成,像一床缝合起来的薄垫。这个论证有清楚的功能逻辑。
许多化石很大却极薄,重复分室能提高表面积和体积的比值,不少标本又看不到可信的口和消化系统。于是他提出,它们可能靠整个体表吸收溶解的有机物,或者靠共生的微生物供能。巨大的面积,很小的厚度,重复的分室,在这个模型里出自同一种生理约束。
这个方案最大的困难是,它自己也装不下全部。金伯拉虫会定向取食,狄更逊水母会移动,会留下进食的痕迹,末期还有长了硬壳的管状动物,这些都塞不进"没有嘴,全身靠体表吸收"的统一模型。即使只看叶状体,三维重建也发现某些分枝沿接缝是开着的,不像密闭的气囊。
第三套方案来自美国俄勒冈大学的雷塔拉克。从二十世纪九十年代起,他主张部分典型的埃迪卡拉化石可能接近地衣,2013 年又在《自然》上发文,说南澳的一些含化石层其实是古土壤,这些生物活在陆地上。
依据包括层面的裂隙,结核和土壤式的层序,以及被他解释为成土变化的同位素。某些狄更逊水母在压实后仍保持较大的起伏,似乎比柔软的水生尸体更坚韧。
反对首先来自沉积学。这些化石层里有波痕,有风暴冲来的砂层,和明确的海相地层连续,一些相同的生物还出现在海相石灰岩里。
地球化学的争论集中在那些化学变化是否只能由土壤形成:早期成岩,海底微生物席和海相孔隙水,同样能造出复杂的化学分异。这个模型至今仍有人在维护,只是没有成为主流。
第四套方案是巨型的单细胞或者多核生物。2003 年有人提出,埃迪卡拉的海底可能主要由微生物席和巨型原生生物占据,并把部分类型和现代深海里一类巨大的有孔虫类生物联系起来。
今天的深海底上,确实有单个细胞长到十厘米以上的这类生物。这个方案用不着口,肠道和肌肉,又能容纳巨大,多核,薄而表面积大的身体。
困难在于,分子系统学显示,现生的那类生物是有孔虫内部很晚才分出的一支,把五亿六千万年前的叶状体直接接上去,得把它的历史大幅前推。2011 年有人因此拒绝了这种简单对应,同时保留了某些分室化石属于大型原生生物的可能。
第五套最朴素:有些印痕根本不是一个生物。2007 年有人研究若干圆盘化石,提出其中一些由微米级的丝状体在微生物席里聚集生长而成。
纽芬兰的圆盘最初被当成无机结核,后来大量盘状的"属",又被证明可能是不同叶状生物的附着盘,同一种生物的不同埋藏状态,或者微生物席的构造。"一个盘形印痕等于一个盘状生物",是最早被埋藏学击穿的假设之一。
这些方案并没有一个接一个地取代前一个。现代动物门,独立的大类群,地衣,巨型原生生物,微生物群体,在不同的属上各自部分成立。这更像几张网同时罩在同一堆东西上,各自罩住一部分。
四 少数被解决的
为了 2018 年发表的一项研究,澳大利亚国立大学的博士生博布罗夫斯基去了俄罗斯白海岸边。他要找的狄更逊水母嵌在海边几十米高的悬崖上,他坐直升机进去,拴着绳子吊在崖壁上,一块一块往下凿砂岩。那一带只有熊和蚊子。
他要的是一种特别的标本。白海的这些岩层几亿年里没有被埋得很深,也没有被加热得很厉害,有些狄更逊水母的化石上,还留着一层极薄的有机膜。
膜里没有完整的分子,只有分子被岁月磨剩下的碳骨架。第五篇讲过胆固醇这一类分子,它在真核生物里普遍,在细菌里罕见。动物体内的这类分子,主要是二十七个碳的那一种,藻类和真菌多用二十八个,二十九个碳的同类。
结果是这样的:狄更逊水母那层膜里,二十七碳的那一类约占九成三。紧挨着化石上下几毫米的岩石里,只占一成左右。
同一块砂岩,相隔几毫米,分子组成完全两样。研究团队据此判断:狄更逊水母是动物。这是它被命名七十多年来,第一次有了一个不靠外形的判断。
判断的是"动物",没有说是哪一门。团队还做了两道检验,排除外来的污染。第一道看空间:假如信号来自后来渗进岩石的石油,化石和背景应该差不多,不会精准地跟着化石的轮廓富集。第二道看成熟度:样品的热改造程度很低,和高温生成又迁移过来的石油对不上。
2025 年前后,又有人回头审视了这批数据。同行长年有两个疑问:异常的异构比会不会来自外来的石油,原研究又没有完整公开绝对丰度和总有机碳,一些背景校正没法独立检验。
重审的结论是,目前还找不到一种污染机制,能自然地造出"只在狄更逊水母里富集"的样式,信号仍然更像原生的。它也承认,现有数据还没法把所有污染的可能都排除干净。
胆固醇也不是动物独有的,某些别的真核生物也能少量合成。所以真正有分量的,是那个几乎一边倒的比例,化石和围岩的反差,以及它和其他证据的一致。
狄更逊水母自己也留下了别的证据。俄罗斯的伊万佐夫在白海的岩面上发现,有些狄更逊水母的身后,排着一串和它形状一样,越来越淡的印子:它趴在微生物席上,从腹面把下面的东西消化吸收掉,吃完了挪一段,再趴下。
那串印子是它的饭桌。2022 年,博布罗夫斯基所在的团队又分析了金伯拉虫化石里的分子,认为它身体里有一段肠道,吃进去的是藻类和细菌。
狄更逊水母那边找不到肠道的迹象,它更像是整片腹面贴着地面吸收。两种动物,两种吃法,都写在几亿年前的分子里。
金伯拉虫走的是另一条路。它最早被当成水母,后来又被归进箱水母。1997 年,俄罗斯的费东金和美国的瓦格纳根据白海的大批标本,把它重建成一种底栖的动物:有前后,有左右,腹面是一个肌肉质的足,背上盖着一层坚韧的覆盖物,他们称它为"像软体动物的双侧动物"。再后来,那些成对的刮痕和它的尸体,在俄罗斯和南澳一再同时出现。
"双侧动物"这一步走得很稳。"软体动物的近亲"又多走了一步:化石里没有保存齿舌,外套膜,鳃,也没有典型的壳。今天比较稳妥的说法是,它非常可能是双侧动物,和软体动物有关是一个重要的假说。
中国也有一件。2019 年,中国科学院南京地质古生物研究所的陈哲等人,在湖北宜昌长江三峡地区的石板滩发现了一种分节的虫子,取宜昌的古称,命名为夷陵虫。
它的身体一节一节,左右对称,身体后面直接连着它自己爬出来的那条道。它是一种在五亿五千一百万到五亿三千九百万年前之间主动爬行的双侧动物。
近几年,更精确的归属也出现了。2022 年,查恩伍德又出了一件化石:一根细杆上托着一对杯子,杯口有触手的痕迹。
研究者把它归入刺胞动物的冠群,认为它是已知最早的捕食动物之一,属名的意思是"黎明的灯笼",种名纪念爱登堡。那个小时候没来查恩伍德的男孩,名字最后还是落在了这片林子里。2024 年,华南又有研究把一种海绵样的化石放进了海绵动物的冠群。
它们说明,保存足够特殊,诊断性状足够多的时候,埃迪卡拉化石可以进入严格的系统发育分析。可靠的结论,常常停在"动物""双侧动物""长骨骼的动物"这几个层级。约两百个已描述的宏体物种里,有独立的分子证据,身体和痕迹配上了对,或者诊断性状足够多的,只是很小一批。
五 格子和树
其余的大多数卡在哪里,要先看格子是怎么做的。
界,门,纲,目,科,属,种,这套阶元的骨架来自瑞典的林奈。1735 年他出版《自然系统》第一版时,只有十一页大开本,分了界,纲,目,属,种五级,门和科是后人加进去的,"门"这一级是 1866 年德国的海克尔加上的。
他想给造物主创造的万物编一份目录。那时还没有演化论,物种被认为是固定不变的,格子画好了,东西就一格一格地放进去。
格子也会放错。第一版里,鲸和鱼放在一起,到 1758 年的第十版,林奈才依据它们用肺呼吸,胎生哺乳,把鲸挪进了哺乳动物。
有的东西一来就撑破了格子。1799 年,一张鸭嘴兽的皮从澳大利亚寄到伦敦,鸭子的嘴,河狸的尾巴,水獭的皮毛。
大英博物馆的肖检查时,怀疑这是有人把鸭嘴缝在别的动物身上开的玩笑,据说还拿剪刀去找过缝线。后来人们又知道它下蛋,还给幼崽喂奶。今天它和针鼹一起,自成哺乳动物里单独的一支。
这套东西的核心是嵌套。每一个类群必须完整地落在某个更高的类群之内:一个属完整地在某个科里,一个科完整地在某个目里,一半在里一半在外是不允许的。今天的动物被分成三十几个门,每个门都有一张诊断表:脊索动物要有脊索,节肢动物要有分节的附肢和外骨骼,软体动物要有外套膜。
达尔文以后,人们把格子重新解释成家谱:一个正式的类群,应当对应"某个共同祖先及其全部后代"。于是问题从"给它起什么名字",变成了"哪些保存下来的性状,能证明它和哪一支共享独有的祖先"。
这个系列说的构,说到底是划一条线:线里的算数,线外的不算。线可以是人划的,比如一套判据,也可以是自然划的,比如一层膜。这一篇的构,就是这套格子。每一格的边界,由一张诊断性状表来划。
假设你挖到一件化石。它有某个现生门后来保留的一项特征,又有若干更古老的特征,还有一些后来完全消失的自身特征。
它属于那一门吗。说属于,它没有那个门的全套特征。说不属于,它又明明和那一门共享一样独有的东西。
为了这类情况,古生物学家造了一对概念。冠群,是某个现生类群全部现生成员的最近共同祖先,加上这个祖先的所有后代。
干群,是那些已经灭绝的旁支:它们比任何别的现生类群都更接近这个冠群,却在冠群的共同祖先之前就分了出去。冠群加干群,合起来叫总群。
鲸是一个好例子。今天所有的鲸和海豚,加上它们最近共同祖先的全部后代,是鲸的冠群。五千万年前,今天巴基斯坦一带有一种狼大小的动物,叫巴基鲸。
1981 年,金格里奇与拉塞尔发表了对巴基鲸的描述;那枚头骨残片于 1978 年在巴基斯坦北部发现。它有四条腿,在河边走,耳朵里的骨头却已经长成鲸独有的样子。
它比任何别的现生动物都更接近鲸,又不在鲸的冠群里,它是鲸的干群。说它是鲸,它会走路。说它不是鲸,它耳朵里装着鲸的骨头。
干群这个词,正是为它这样的动物预备的。门按总群来定义的时候,干群成员完全可以放进那个门。
埃迪卡拉的麻烦在更前面一步。一个深干群成员,可能只带着某门后来保留的一两项性状,其余是祖先的样子,再加上一些后来彻底消失的自己的东西。
只拿现代门的全套诊断表去比,它哪一门也不像。把门无限往下扩,门的传统诊断又空了。树是连续的分叉,阶元是一格一格的盒子,把前者装进后者,总有东西卡在格子之间。
更深一层,很多标本连确定干群位置所需的性状都不够。一个分枝,一个圆盘,一排横纹,都可能在不同的谱系里各自长出来。
砂岩模铸最擅长留下的,是总体轮廓,相对尺寸,身体的前后,重复的样式,分枝的顺序,表面纹理,附着方式,还有不同大小的个体排出来的生长序列。身体和轨迹同在一层时,还能加上运动方向。
它最常缺的,恰恰是系统发育上最有用的内部性状:胚层,神经,肌肉,消化道,体腔,血管,口和肛门,感觉器官。某条表面的沟到底是解剖结构,腐烂的皱褶,还是砂子压出来的,本身常常就是争论的对象。
同一件化石,换一套性状编码,可以落在完全不同的位置上。分歧有一部分发生在把化石变成数据的那一步。
面对装不下,有两种动作。塞拉赫做的是第一种:既有的格子装不下,就再加一个与动物界并列的大格子。
现代的形态群方法做的是第二种:先叫它兰奇形类,狄更逊形类,埃尔尼埃塔形类,名字只描述看得见的身体建筑,不承诺它们是一个单系的门或者界。先把它怎么长的说清楚,它是谁,暂时空着。
再加一个界,只给未知的关系起了一个名字,缺的信息一点也没有多出来。
六 三个组合
埃迪卡拉的化石,通常被分成三个组合,名字取自最有代表性的产地:阿瓦隆,白海,纳玛。这个划分追溯到 2003 年的一次统计:研究者把全球宏体化石的属按出现地点做了聚类,得到三个明显的集合。
阿瓦隆组合最老,约五亿七千五百万到五亿六千万年前,代表是纽芬兰的错点和英格兰的查恩伍德。群落多在深水里,光线照不到,海底立着一片片分形的叶状体,有的靠一个圆盘固定在泥里,高的能高出海底一米多,像一片没有叶绿素的矮林。
会爬的东西很少。错点的化石不许采集,研究者只能在岩面上翻模,拍照,做三维扫描。游客跟着向导走上岩面之前,要先脱掉鞋子,只穿袜子。
白海组合约五亿六千万到五亿五千万年前,典型产地是俄罗斯白海和南澳大利亚。在南澳的尼尔佩纳,研究者几十年里把古代海底一层一层整片揭开,一块块岩面上,狄更逊水母,三腕虫,金伯拉虫和它们的痕迹原样摆着。揭开以后,岩面按原来的位置在野外重新铺开,像一块块拼好的地板,一片古代海底就能从头到尾走一遍。
这里有一种一簇簇长的管状生物,研究者用领头人母亲的名字给它起名,叫多萝西绳管虫,它是已知最早进行有性生殖的动物候选之一。2026 年,这些化石成为弗林德斯山脉申报世界遗产的重要依据;申报不等于已经列入名录。
纳玛组合约五亿五千万到五亿三千九百万年前,中心在纳米比亚。这里的主角换了:袋状的埃尔尼埃塔,各种软管,还有长着硬壳的克劳迪管。
克劳迪管的壳上常有规则的小圆孔,被广泛看作捕食者钻出来的洞,是已知最早的捕食证据之一。克劳迪管在中国陕西南部的同期地层里也很多。
经典的狄更逊形类,到这里明显少了。前面说的夷陵虫所在的石板滩也属于这个时段,那里的化石保存在石灰岩里,这在以砂岩为主的埃迪卡拉化石里很少见。
埃尔尼埃塔常常成群地挤在一起,半截插在砂里。2019 年有人把它们的形状放进计算机里做水流模拟,发现挤成一群时,后排的个体能接到前排搅起来的回流,水里的食物颗粒更容易落进杯口里:它们可能是靠滤水过活的。
三个组合的差别,可以有三种来源。
第一种是时间:那次统计发现三个集合总体有先后,后来的高精度火山灰年龄也证实,阿瓦隆的典型群落明显更老。火山灰是一只天然的钟:灰里有一种叫锆石的小晶体,结晶时会装进一点铀,铀按固定的速度衰变成铅,量一量铀和铅的比例,就能算出这层灰落下的年份,误差只有几十万年。错点的一层层化石,夹在一层层火山灰之间,每一层都能单独定年。
第二种是生态:2004 年起有人强调,阿瓦隆型的群落偏深水,低能量,白海型多在浅海,纳玛型又连着另一种浅水环境。不同环境里的群落可能同时存在,只是各在各的深度。
第三种是保存:深水的火山灰,浅水的砂岩模铸,纳玛的立体砂铸,对不同体形的保存概率不一样。
2016 年的一次统计,给出了答案的形状。研究者对全球数据库做聚类和环境分析,仍然得到三个明显的集合,岩性和埋藏的偏差解释不了全部差异。同时,组合之间又有时间上的重叠。时间,生态,保存,三个变量同时在起作用。
它们各自都能检验:时间看火山灰的年龄,生态看沉积相,保存看埋藏学。难在分开。一个属在某个组合里缺席,可能是它那时还没出现,可能是它不住在那种环境里,也可能是它在那种条件下留不下来。在一张分布表里,这三种情况都是同一个空格,空格不会说明自己为什么空。
名字也会带偏印象。2026 年发表的一项研究,在加拿大西北地区的麦肯齐山里,发现了一个明确属于白海组合的群落。
那里在当时属于古代的北美大陆,地质学家叫它劳伦古陆。白海组合作为统计组合是有用的,它的名字来自最早发现它的地方,不代表它当时只分布在那里。
早期的形态多样性曲线,也有同样的问题。研究者先把能辨认的属按外形编码,比如身体的前后,对称的方式,分枝的级数,附着的方式,再用多变量的方法投到一个"形态空间"里,看它随时间怎样张开和收拢。这类曲线最敏感的是输入:一个属算不算有效,同一种身体的不同埋藏状态有没有被拆成几个属,某地只采了岩层的底面还是也采了顶面,每一样都会改变曲线。
七 死亡面具,和硅
那么这些软体是怎么留在砂岩里的。砂粒那么粗,怎么能复制出一个软体表面毫米级的细节。在沙滩上按一个手印,细节会立刻塌掉。
最经典的答案,是南澳的格林在 1999 年系统提出的"死亡面具"模式。名字借自一种老习俗:人死之后,用石膏或蜡在脸上翻一个模子,留下死者的面容,拿破仑和贝多芬都留下过这样的面具。
活着的时候,海底铺着一层连续的微生物席,第一篇讲过那层垫子。生物死后很快被砂盖住,席里的细菌分解有机质,放出硫化物,硫化物和水里的铁反应,在尸体表面结成一层矿物薄膜。
这层膜在软组织烂掉之前,就把毫米级的起伏固定住了。后来上面的砂被胶结,形成高保真的铸型。做模具的是那层在尸体表面快速长出来的矿物膜,砂只是把模具的形状固定下来。
2012 年,有人在实验室的水槽里试了一次:把死去的蜡螟幼虫埋进盖着微生物席的砂里,几周以后,尸体周围真的出现了一圈含铁和硫的矿物沉淀,没有微生物席的对照组,细部保存得差得多。
这是一场竞赛:矿化的速度对腐烂的速度。条件很窄:要有足够的铁和硫,要埋得足够快,还要有那层微生物席,缺一样,窗口就关上了。所以留下来的往往是身体的外表面,软组织本身留不下。
2016 年,有人检查南澳的材料,发现许多化石周围并没有这个模型预期的黄铁矿,反而有很早形成的二氧化硅胶结。他们提出另一种机制:前寒武纪的海水含硅很高,有机表面上会迅速析出一层硅质薄膜,早期的硅胶结把砂粒锁住。
与化石直接相邻的胶结物,元素比例和碎屑石英不同,孔隙在压实以前就已经被填满。那时还没有硅藻和放射虫这些从海水里大量取硅的生物,海水里的硅比今天多得多。
错点又是另一种办法。那里没有砂模,是火山灰直接落在活着的群落上,把叶状体按倒,原地压成印痕。很多岩面上,成百上千的叶状体倒向同一个方向,那是被埋那一刻海底水流的方向。立着的一片林子,一夜之间被同一阵水流按倒,就这样留了五亿多年。
埃迪卡拉式的保存,是一组机制,各地的配方不同。
微生物席在其中至少做了三件事。它把海底黏住,稳住,让刚压出来的浅印痕不被水流立即抹掉。它造出陡峭的化学微环境,促进矿化。
它提供一层有韧性的有机界面,让上面的砂和下面的泥不直接混在一起。它既是许多生物的生活基质,也是保存装置的一部分。
后来这类席变少了,最直接的原因,是越来越多的动物开始刮食,钻掘,翻动表层沉积物。连续平整的席一旦被不断掘穿,就撑不起那种大面积的封闭界面。造出这些化石的那套条件,是被后来的生物自己拆掉的。
窗口的开关也不是一刀切。这类砂岩模铸在约五亿七千五百万年前以后特别丰富,更老和更年轻的地层里也有少量类似的例子。
窗口关上,至少有三种并行的解释:持续的生物扰动削弱了微生物席。海洋的硅循环变了,早期的硅胶结不再那么容易。
这些生物本身真的灭绝了,没有对象可保存。三者可以同时成立,它们给出的预测却不同:最后那一条要求这些生物真的死了,前两条不要求。
这种保存对身体还有强烈的筛选。最容易留下高保真砂模的,是厘米以上,贴着海底,有一定面积和韧性的底栖体:宽而扁的身体,坚韧的表皮,凸起的纹理。极小,极薄,一碰就化开的,漂在水里不碰海底的,还有身体内部的器官,留下来的机会小得多。
它还会把一个立体的生物"编辑"成一张二维的外表,极精细地保留外表的重复纹理,却可能把内部组织全部删掉。软硬不同的部分,又会被压扁,拉长,起皱。
于是表面的一条"分节线",可能是生物结构,也可能是折叠,腐烂或者砂粒压模加强出来的。历史上"横纹就是环节动物的体节"那一类推理,就是在这里出的事。
所见的埃迪卡拉群落,是一张经过筛选的名单。2016 年那次统计也提醒,名单背后仍有真实的生物差异:三大组合的差别,已知的岩性和保存因素解释不完。
八 那个总格子
到寒武纪开始时,埃迪卡拉式的软体化石几乎从记录里消失了。寒武纪的底界,也定在纽芬兰,在错点以西约两百公里的一处海岸,标准是一种潜穴化石的首次出现:某种虫子在泥里一边挖一边拐,留下一串分叉的洞。埃迪卡拉纪以一枚铜牌开头,以一串虫洞结束。它们去了哪里,至少有三种回答。
第一种说,它们真的灭绝了,推手是环境。2022 年有人用全球数据库估计,从白海组合到纳玛组合,约八成的统计单元没有延续下去。
损失有选择性:留下来的,多是相对表面积更大的形态,越薄越扁的越能活,厚实的消失了。研究者把这解释成一次缺氧,表面积大,换气就容易。
这个八成来自能收集到的宏体化石数据库。困难在于,"缺氧发生过"和"缺氧正好杀掉这些类群"是两步推理,晚埃迪卡拉不同盆地的记录并不同步。
第二种说,它们是被新来的动物替掉的。一只钻掘的动物,能改变沉积物里的氧,孔隙水的化学和微生物席的连续,让依赖稳定席面的生物失去家园,用不着把它们吃掉。
克劳迪管壳上的钻孔,又说明捕食者已经出现。这个方案的困难在尺度:末期的潜穴总体仍浅,很多地方完整的微生物席和软体宏体长期并存。
第三种说,它们还在,只是看不见了,这叫"柴郡猫"模型。柴郡猫是《爱丽丝漫游奇境》里那只会慢慢消失,最后只剩一个笑容挂在半空的猫。
作者卡罗尔是牛津的数学讲师,第六篇的红皇后,出自他写的续篇。砂岩模铸依赖稳定的微生物席,特殊的早期矿物和很少的翻动,这些条件没了,仍然活着的同类软体生物,也会在记录里隐形。
这个模型给出一个可以检验的预测:在更年轻,又碰巧重新满足特殊保存条件的地层里,应当偶尔看到埃迪卡拉型的形态。事实上确实有。
1998 年,有人在年代明确属于寒武纪的沉积层里报告了典型的叶状化石,2000 年又有人报告了加利福尼亚早寒武世的类似化石。加拿大五亿零八百万年前的伯吉斯页岩里,也有一种叶状的化石,有人认为它和阿瓦隆的叶状体是一路的。
三种回答可以同时部分成立,在不同的类群上各占一份。紧接着的寒武纪里,动物一下子长出了壳,眼睛和腿,那是下一篇的故事。埃迪卡拉的这批身体,站在那场热闹的门口。
最后看那个最大的格子。"埃迪卡拉生物群"这个名字,用了几十年。2014 年,一位学者写了一篇文章,标题就叫《不存在"埃迪卡拉生物群"这样的东西》。
他指出,这个词有时指一个年代,有时指一批肉眼可见的大化石,有时又专指砂岩模铸里那些奇异的软体生物。同一时期的藻类,微生物,长骨骼的动物,常常被排除在外,排除的理由既不是亲缘,也不是形态,只是它们没长成砂岩模铸里那副样子。
这个名字圈住的,是在那个时代,以那种方式保存下来的东西。一个条件属于时间,一个条件属于我们。所以"埃迪卡拉生物群属于哪一界"这个问题,问的可能是一个集合。但按保存条件圈出的集合,不一定构成一个单系类群。
回到这一篇的构,那套从林奈传下来的格子。每一格都要一张诊断表,表是照着今天活着的成员写的。构装不下,又消不掉的那部分,这个系列叫余项。这一篇的余项,就是这整批生物:约两百个已描述的宏体物种,确定下来的只有很小一批,而且大多停在"动物""双侧动物"这几个层级。
上一篇的余项在坐标轴里:那几十次多细胞起源完全可见,只是被一把没有自然单位的尺子排到了后面。这一篇的余项在格子的形状里。
这些生物完全可见。博物馆的抽屉里装着它们,标本成千上万,形态可以量化,生长可以重建,有些还留下了行为的痕迹。
它们缺的,是那套格子每一格都要求的一组性状。说"还没凑齐",像是那些性状本来应该有,只是没保存下来。实际可能更简单:这些生物本来就没有那一整套性状,因为那套性状是后来才凑齐的。格子是照着凑齐之后的样子做的,而那些生物活在凑齐之前。
判据还在筛。属名还在被合并和拆分。那个总格子本身,已经有人建议不要再用。