牛津大學領導的一項研究使我們更接近於解開一個自查爾斯-達爾文時代以來就一直困擾著博物學家的古老問題：地球歷史上最早的動物是什麼時候出現的？這些發現最近發表在《生態學與進化趨勢》（Trends in Ecology & Evolution）雜誌上。

來自納米比亞納馬群的埃迪卡拉紀海底重建圖，顯示了早期動物的多樣性。圖片來源：牛津大學自然歷史博物館/Mighty Fossils

動物首次出現在化石記錄中大約是在5.74 億年前。在寒武紀（5.39 億年前至4.85 億年前）的岩石中，動物的出現就像一場突然的”爆炸”，似乎與通常的漸進式進化變化背道而馳。許多科學家（包括達爾文本人）認為，第一批動物實際上早在寒武紀之前就已經進化了，但他們無法解釋為什麼化石記錄中沒有它們。

埃迪卡拉紀最早的動物化石候選者Charnia 的複原圖，距今已有5.74 億年。圖片來源：牛津大學自然歷史博物館/Mighty Fossils

例如，”分子鐘”方法認為，動物最早進化於8億年前的新近紀早期（10億年前至5.39億年前）。這種方法利用基因累積變異的速度來確定兩個或多個生物物種最後共享一個共同祖先的時間點。但是，雖然新近紀早期的岩石中含有微生物化石，如細菌和原生生物，但卻沒有發現動物化石。

這給古生物學家帶來了一個難題：分子鐘方法是否高估了動物最初進化的時間點？還是動物在新近紀早期就已經存在，只是過於柔軟和脆弱而無法保存下來？

Dickinsonia是澳大利亞埃迪卡拉生物群（Ediacara Biota）中最古老的動物化石之一。距今5.6-5.5 億年。資料來源：Lidya Tarhan

為了研究這個問題，由牛津大學地球科學系的羅斯-安德森（Ross Anderson）博士領導的研究小組對最早的動物化石的保存條件進行了迄今為止最徹底的評估。

主要作者羅斯-安德森（Ross Anderson）博士說：”據推測，最早的動物沒有基於礦物的外殼或骨骼，需要特殊的條件才能成為化石。但是，某些寒武紀泥岩沉積顯示了特殊的保存條件，甚至包括柔軟脆弱的動物組織。我們推斷，如果這些被稱為伯吉斯頁岩型（Burgess Shale-Type，BST）的保存條件也出現在新近紀岩石中，那麼化石的缺乏將表明當時確實沒有動物。”

為了研究這個問題，研究小組對來自近20 個地點的寒武紀泥岩沉積物樣本採用了一系列分析技術，將那些保存有BST 化石的樣本與那些只保存有礦物化石（如三葉蟲）的樣本進行比較。這些方法包括在牛津大學地球科學系和材料系進行的能量色散X 射線光譜分析和X 射線衍射分析，以及在英國國家同步加速器鑽石光源進行的紅外光譜分析。

有BST 保存但沒有動物化石的托尼安遺址之一的圖片挪威斯瓦爾巴群島De Geerbukta 的Svanbergfjellet Formation。資料來源：羅斯-安德森/牛津大學

分析發現，具有特殊BST類型保存的化石特別富含一種名為berthierine的抗菌粘土。含有至少20%貝殼杉鹼成分的樣本在大約90%的情況下產生了BST化石。

BST 化石的微尺度礦物圖譜顯示，另一種名為高嶺石的抗菌粘土似乎在早期階段直接與腐爛組織結合，在化石形成過程中形成保護性光環。

安德森博士補充說：”這些粘土的存在是預測岩石是否會蘊藏BST化石的主要因素。這表明粘土顆粒起到了抗菌屏障的作用，阻止細菌和其他微生物分解有機物。”

隨後，研究人員運用這些技術分析了大量化石豐富的新近紀泥岩礦床樣本。分析結果表明，大多數化石不具備保存BST 所需的成分。不過，位於加拿大努納武特、俄羅斯西伯利亞和挪威斯瓦爾巴的三個礦床的成分與寒武紀的BST 岩石幾乎完全相同。然而，這三個礦床的樣本中沒有一個含有動物化石，儘管當時的條件很可能有利於動物化石的保存。

安德森博士補充說：”在這些罕見的新近紀早期樣本和特殊的寒武紀沉積物中，帶有化石的粘土的分佈相似，這表明在這兩種情況下，粘土都附著在腐爛的組織上，而且在這兩個時期都存在有利於保存BST 的條件。這提供了第一個’缺失證據’，支持了動物在新近紀早期尚未進化的觀點，這與某些分子鐘的估計相反。”

據研究人員稱，這項研究表明，動物起源的最大年齡可能在7.89 億年左右：這是斯瓦爾巴群島地層的最年輕估計年齡。研究小組現在打算尋找有條件保存BST 的、年齡逐漸變小的新近紀沉積物。這將確認化石記錄中缺少動物的岩石的年齡，因為它們確實不存在，而不是因為條件不允許它們變成化石。他們還打算進行實驗室實驗，研究粘土與有機物在生物化石保存過程中的相互作用機制。