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“全能选手”牙形刺:中国4颗“金钉子”都以其作为界定标准

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热度0票 浏览15次 时间:2018年7月13日 10:33
牙形动物复原图(据Purnell et al,1995 )

牙形动物复原图(据Purnell et al,1995 )

产地:贵州纳饶 层位:石炭系格舍尔阶

产地:贵州纳饶 层位:石炭系格舍尔阶

(中国化石网报道)据中国科学报(张文静):2018年6月,国际地质科学联合会以全票通过的表决结果,批准把寒武系第三统和第五阶的“金钉子”“钉”在了中国贵州剑河,即寒武系苗岭统乌溜阶,结束了国际地层委员会寒武系分会对该“金钉子”长达20余年的研究和选择。随着这颗“金钉子”的确立,中国以11颗的数量成为全球获得“金钉子”最多的国家。

“金钉子”是全球年代地层单位界线层型剖面和点位(GSSP)的俗称。自46亿年前地球形成开始,沧海桑田,层层的岩石在原始的地壳上慢慢覆盖起来。从地质学上来说,这些岩石就是地层。每一个地层都有其相应的地质年代,“金钉子”就是年代地层的“国际标准”,对照它,便可以标出它及其上下地层的“年龄”。

在中国的11颗“金钉子”中,有4个是以同一种化石作为界定标准的,这种重要的化石就是牙形刺。

身世谜题

1856年,德籍俄国人潘德尔最早在波罗的海地区发现并报道了牙形刺化石,此后这类化石的发现与研究源源不断地涌现出来。

在早期发现者们的眼中,这类化石的长相有些怪异,它们个头很小,多刺,呈齿状。这到底是哪种动物留下的骨骼?一时间,人们意见纷纷,争执不休。最初,潘德尔认为牙形刺是鱼类的牙齿,后来有人提出它们可能是环节动物的颚器,也有人认为它们是腹足类的齿舌。节肢动物、头足动物、袋虫类、毛颚类、动吻类,甚至植物都在人们的猜测对象之列。其中,鱼类假说和环节动物假说占据了主流。这些假说基本上都是将牙形刺化石的形态特征与现生生物类比而作出的推断。

直到1983年牙形动物软体化石在苏格兰的下石炭统被发现以后,人们才恍然大悟,原来此前的类比方向有误,其实,牙形刺属于一类已经绝灭的海生动物的骨骼化石,它们的“主人”也就被称为牙形动物。

此后,主流观点认为这种已经灭绝的牙形动物,是一种最早期的脊椎动物。“它与现代的七鳃鳗(八目鳗)很相似,两侧对称,肛门后位,有尾鳍、背鳍,并有鳍条,有两个大眼睛,有肌节(并发现纤维肌肉组织)和脊索。重要的是,牙形刺中有与脊椎动物牙齿相似的齿质(牙本质)存在,并在牙形刺的口面,特别是台型牙形刺的口面,发现微磨损,证明牙形刺是牙齿,起粉碎、剪切食物的作用,是食大粒食物的,牙形刺是牙形动物的口咽器官,两侧咬合。”中科院南京地质古生物研究所(以下简称南古所)研究员王成源在《化石精英——牙形刺》一文中写道。

当时,英国几位最著名的牙形刺专家都认为,牙形动物有良好的视力,两侧对称,能像鳗类一样快速游泳,并且很可能是积极捕食的、能适应于不同生境的动物。

古生物学家还将牙形刺分为三类,其中,原牙形类出现于前寒武纪,副牙形类始于早寒武世,而真牙形类则始于晚寒武世。晚寒武世正处于脊椎动物演化的早期,人们猜测,真牙形类的祖先很可能是来源于早寒武世多细胞动物的大辐射。

虽然也有人认为牙形动物并不属于脊椎动物,而属于原索动物,或属于脊椎动物的姊妹群,但仍属脊索动物。但更多的古生物学家支持其是脊椎动物的观点。美国著名古生物学家诺尔发表文章,肯定了牙形动物是脊椎动物的观点。我国牙形刺专家、北京大学教授董熙平也通过对寒武纪牙形刺组织学的研究,赞同牙形动物是脊椎动物的祖先的学说。“没有牙形动物,就没有现代的脊椎动物,也没有人类,它是人类的远祖。这已成为牙形刺专家的主流看法。”王成源写道。

演化快、分布广

“牙形刺化石的拉丁文原意有‘锥子’‘锥刺’的意思,翻译成中文后,有专家认为应该叫牙形石,也有专家认为应该叫牙形刺,还有专家认为应当叫牙形类化石,其实指的都是这一类化石。”南古所研究员祁玉平告诉《中国科学报》记者,牙形刺化石形体很小,一般只有1毫米左右,最大也不过7毫米,形态多变,如角锥梳状、耙状、台状,颜色各异,广泛分布于从寒武纪到三叠纪的海相地层中,在我国分布也极为广泛。

我国牙形类化石研究始于20世纪50年代后期。1960年,中科院院士、南古所研究员金玉玕发表了中国第一篇牙形类论文。从1973年开始,全国科研机构、高校、石油和地质系统的微体古生物工作者,对全国各区域含牙形刺地层进行了系统采集和研究。

祁玉平就是这些研究队伍中的一员。早年在石油系统工作时,他就开始从事牙形刺化石的相关研究,在胜利油田、江苏油田等地都工作过。来到南古所之后,他的研究重心放在了贵州、广西的牙形刺化石上。

由于牙形刺化石个头很小,在野外很难直接观察到。所以祁玉平等人常常要在野外采集大量石灰岩,运回研究所进行研究和分析。他们先用酸性溶液将化石化开,然后筛洗、晾干,最后在显微镜下挑选。“每次采样可能会运几吨回来,处理起来也要花费很长时间,有时需要一年。”祁玉平说。

目前的化石发现表明,牙形刺化石在奥陶系地层中非常丰富,这显示出奥陶纪是其演化历程中第一个繁盛时期。在距今约4亿年的泥盆纪,牙形刺又经历了一次大繁荣。进入二叠纪后,牙形刺风光不再,处于衰落时期。在三叠纪经历了最后的繁盛期后,到约2亿年前的三叠纪末,牙形刺便全部绝灭了。算下来,牙形动物作为一个大类在地球上繁衍了至少3.4亿年,算是演化比较成功的动物。

牙形动物不仅存在时间长,它们存在的证据——牙形刺在地层中的分布也十分广泛。“分布广,全球都可以作对比,这正是牙形刺能成为‘金钉子’界定标准的一个原因。”祁玉平说。

为寻求世界对比的共同语言,“金钉子”必须选择演化快、分布广、特征明显的化石作为标志,牙形刺显然符合这样的条件。在寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪和三叠纪七个地质时代,牙形刺都已成为主导化石门类。只要发现一个牙形刺化石,这些地层时代就能得到精确确定。

以色看油寻气

除了能在全球地层界线层型和点位确定中发挥重要作用之外,牙形刺化石还是油气勘探开发中的尖兵,后者依靠的其实是牙形刺的“色”。

牙形刺由碳磷灰石、细晶磷灰石组成,含有微量的有机质和氨基酸。“因为牙形刺含有有机质,被埋藏在地层中并经过漫长的时间后,在地热的作用下,它的有机质会降解,它的颜色也会由浅色变成深色。利用牙形刺的色变指标,我们就可以判断其所在地层中的石油有机成熟度,从而直观地判断出该地层保存的是油还是气。”祁玉平解释说。

美国科学家最先用实验证实了牙形刺的不同颜色与有机变质程度有直接的关系,这种变化与温度、埋藏深度和时间有关。这种颜色的变化由浅到深,逐渐变化,且是不可逆的。所以,利用牙形刺的色标指标,就可以圈定石油和天然气的未成熟区、成熟区和过成熟区,也就可以知道哪些地区可能有油有气,哪些地区无油有气,哪些地区无油无气。美国曾用这种方法在阿拉斯加地区圈定并找到重要的油气藏,我国也用此方法大致圈定了华南、华北油气勘探区。近年来,美国科学家还研究了牙形刺色变指标与卡琳型金矿的关系,预计在寻找碳酸岩地区卡琳型金矿方面,牙形刺同样会起到重要作用。

由此看来,牙形刺确实是化石中的“全能选手”,在各个方面都能大显身手,发挥重要的作用。
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