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許多人都知道地球上生命的悠久歷史：在38億年的過程中生物體從原核生物進化到真核生物，從單細胞真核生物進化到多細胞真核生物，逐漸從簡單生命進化到複雜生命。 在今天的地球上，動物、陸生植物、真菌和大型藻類，包括人類，都是複雜的生命形式和多細胞真核生物。
活體系統發育樹（維基百科）。
那麼，多細胞真核生物是什麼時候出現在地球上的呢？ 這是生命進化史上重大的關鍵事件之一。 之前的研究證明，這個時間是15年前6億年前。 會不會更早？
2024年1月25日，由中國科學院南京地質古生物研究所研究員朱茂言領銜的“地球生命系統早期演化”團隊回答了這個問題。 團隊成員 苗蘭雲，博士，中國科學院南京地質古生物研究所，華北燕山地區 16早在3億年前的地層中就發現了多細胞真核生物的化石，這些具有精緻細胞結構的微化石被認為是迄今為止世界上發現的最早的多細胞真核生物化石記錄。 研究結果發表在最新一期的《科學進展》雜誌上（點選文章末尾的“閱讀原文”）。
我發現的化石是最早的多細胞真核生物嗎？ 這個證明問題是如何工作的？
在長城腳下，有生命早期進化的秘密
燕山領域的研究人員（**作者提供）。
燕山山脈是中國北方的重要山脈之一，位於內蒙古巴商高原南部，河北平原以北，白河河谷以東，山海關以西。
為什麼研究團隊將目光投向了這個？ 大家不明白的是，對於地質學和古生物學來說，燕山山脈更具有非凡的意義。
在長城腳下，有一組名為“長城系”和“薊縣系”的岩石，是距今18億至13億年前的寒武紀沉積地層，厚近萬公尺，是世界上最優秀、最經典的地區之一，進行地球早期地質歷史和生命演化， 以天津薊縣（現稱薊州）地區為代表。1984年，中國在天津薊縣建立了第乙個國家級自然保護區，2001年，天津薊縣國家地質公園成立，記錄了燕山的自然風光、文化古蹟和獨特的地質記錄。
冀州區中上元古代地層剖面記錄了這裡的地質演化歷史（**作者提供）。
20世紀初，中科院院士高振熙等人在長城腳下的天津薊縣建立了“四年體系”的標準段。 在過去的 100 年裡，一代又一代的地質學家進行了研究，他們的時間變得越來越精確。
1997年，中國地質調查局天津地質調查中心朱世興、黃學光在河北省錢西、關城地區開展野外地質調查工作6億年前，“薊縣系”高莊組中發現了大型碳質膜化石，這是一層深色碳質物質，在生物被掩埋後的化石化過程中被壓平儲存。
高於壯族組巨體碳質膜化石（**作者提供）。
2016年，朱茂言團隊與朱世星等國內外學者一起，對這些標本進行了系統研究，認為它們屬於多細胞真核化石，早在15年前6億年。 而且，這批多細胞真核化石已經長得“非常大”，寬達8厘公尺，不完整的化石長達30厘公尺。 如此大型的巨集觀化石的出現，預示著在此之前會有乙個相對簡單的微化石（即肉眼看不見的那種）。 這一結果突破了以往的科學認識，不僅將地球上大型多細胞真核生物的出現時間比之前認為的6億年前提前了近10億年，而且推斷出真核生物多細胞化的時間應該更早。
為了驗證前輩們的這一推論，苗蘭雲自攻讀博士學位以來，早在16億年前就一直在燕山地區晚古元古代“長城”地層中尋找多細胞真核化石記錄。
八年的積累，每一次實驗都是“開啟盲盒”。
由於長城地層中的化石大多是肉眼看不見的微化石，細節只能借助顯微鏡才能看清，而這些化石深深嵌入頁岩中，研究人員必須將採集到的樣本帶回實驗室，通過嚴格的微化石酸提取實驗找到微化石進行分析。 八年來，苗蘭雲一直在南京和河北之間來回奔波：在燕山腳下採集樣本，然後返回她在南京的實驗室。
收集了岩石樣本（**由作者提供）。
之所以說是“開箱”，是因為並不是所有的頁岩都儲存了微化石，而且每次微化石酸提取實驗的結果都是不可預測的
“開箱盲盒”的過程是：
1）首先，氫氟酸用於溶解頁岩中的所有礦物質，有機物（主要由碳和氫組成）不受氫氟酸的影響，因為它可以保留;
2）Caf2在上一步中產生，它是一種絮狀物質，使溶液看起來像牛奶一樣渾濁。為了除去CaF2，在除去殘餘的氫氟酸後加入鹽酸，然後在水浴中加熱除去絮凝劑CaF2。
3）剩餘溶液主要是鹽酸、水和有機物，然後通過換水將溶液洗滌至中性，最後剩餘溶液主要是水和有機物。
化石是在有機物中形成和儲存的，因此在尋找微化石時，我們必須在有機物中尋找它們。
微化石提取實驗（**由作者提供）。
化石的微觀形貌分析（**作者提供）。
古生物學版本的“盲盒”看起來像這樣：
用酸萃取處理的樣品（**由作者提供）。
教你識別多細胞真核生物的化石
最後，苗蘭雲從收集到的數百個樣本中找到了它278個微多細胞真核化石標本，細胞結構儲存完好這些標本出自河北省關城縣翁家莊段川陵溝組中上層。
你可能想知道，上面的樣本看起來都很相似，你怎麼知道哪些是多細胞真核生物？ 讓我們結合**分析多細胞真核化石的特徵。
圖1在寬嶺溝組發現的壯麗綠藻。 化石儲存為由有機物壁組成的多細胞細絲，顯示出細胞大小變化引起的細絲形態變化。 絲狀體的直徑收縮到一端（a-d，f-i，k），絲狀體的直徑保持不變（j），保持完整末端的絲狀體（e，l）F-H 和 K 的比例尺代表 100 μm，其餘代表 50 μm（Miao 等人）。, 2024b）
圖2具有孢子結構的壯麗綠藻。 a、c、d 和 f 的比例尺代表 50 μm（Miao 等人）。, 2024b）
第乙個特點：大細胞。
在顯微鏡下，可以看出這些化石是由巨細胞組成的。 它們是不分枝的細絲，由單排細胞（圖1和圖2）組成，直徑為20-190μm，長度可達860μm，沒有外鞘。 （注：原核細胞一般小於2μm; 真核細胞通常為2-100μm）。
第二個特點：形態呈現出一定的複雜性。
其中一些化石具有直徑保持不變的絲狀體，細胞為短柱狀至長柱狀; 一些細絲向一端均勻收縮，細胞呈柱狀、桶狀或杯狀; 一些細絲僅在一端變細（圖1）。 通過測量不同型別的多細胞細絲，這些多細胞細絲在形態上顯示出連續的轉變，研究人員發現這些化石多細胞細絲屬於同一物種。
這些化石的複雜性還反映在一些化石被發現具有類似於活的生殖細胞、孢子的圓形結構上，這表明這些化石實際上是孢子繁殖的生物。
通過文獻研究，苗藍雲發現，絲狀化石的形態和大小與1989年前在天津薊縣川嶺溝組發現的“青山大燕”（1989）相似，因此這些化石具有具有複雜細胞形態的巨細胞化石應該是“壯麗的綠藻”。
如果你有巨細胞和複雜的形態，你一定是多細胞真核生物嗎？ 還有一些“篩選問題”需要完成。
如果滿足這些條件，則確認了“壯麗綠藻”的身份
為了確定這塊化石的身份，有必要將其與生物體和同時期的生物體進行比較。
1.與生物的比較
在生物體中，有非常多的絲狀生物，由單排細胞組成，廣泛存在於原核生物（細菌和古細菌）和真核生物中。 研究人員根據這次發現的化石巨細胞和複雜的絲狀形態此功能開始被排除在外**。
研究人員首先將壯觀的綠藻與活的原核生物進行了比較。 據統計，目前已知的原核細絲分布在12門至少147屬中，通過比較細絲的形態複雜度、細胞大小和繁殖方式，沒有一種原核生物可以與壯麗青山藻相似。 這些活的原核細絲大多很小，而一些較大的生物相對簡單。 因此排除壯麗的綠藻是原核生物
在現存的真核生物中，有許多絲狀生物類似於壯麗的綠藻，例如：異養絲狀真菌和絲狀卵菌，特別是大多數真核藻類都含有絲狀體，如褐藻、黃藻、綠藻、紅藻、輪藻、椰球菌等。
壯麗的綠藻類似於異養絲狀真菌和絲狀卵菌，特別是大多數真核藻類都含有絲狀體，如褐藻、黃藻、綠藻、紅藻、輪藻、椰球菌等（**作者提供）。
壯觀的綠藻和一些活的綠藻之間的對比很接近。
圖片由作者提供）。
綜合分析表明，現存一些綠藻的藻絲形態、細胞大小分布和繁殖方式最為相似。 因此研究團隊認為，壯麗青山是多細胞真核生物的化石，很可能是具有光合作用代謝能力的多細胞藻類但是，目前無法將其歸因於特定的生活類別。
2.借助高科技，與“同行”進行比較。
為了進一步驗證壯壯鱘的真核特性，研究團隊利用雷射拉曼光譜比較了從同一頁岩樣品中提取的三種藍藻（多細胞原核生物）的有機物組成。
拉曼光譜顯示，與同水平的多細胞原核生物相比，壯藻經歷了低水平的變質作用（變質作用是指由於溫度、壓力或其他因素導致的原始物質結構或成分發生變化）。 對於地質樣品來說，經過長時間的地質過程，如地熱梯度和壓力，其原有的物質結構和成分會逐漸發生變化），不太可能受到現代生物汙染。此外，化石的有機質組成與藍藻化石的有機質組成存在顯著差異進一步支援對多細胞真核生物特性的解釋。
真核生物最後，乙個共同的祖先
原產地時間可能更早
這次發現的含化石地層頂部有一層火山凝灰岩，用鋯石鈾鉛同位素測年，結果為1635億，這為新發現的化石提供了直接的年齡限制。 因此，“壯麗的青山藻”被認為是迄今為止世界上發現的最早的多細胞真核生物化石記錄。 163億年前！
基於上述“證明問題”過程，研究人員可以確定，壯麗的綠藻是最早的具有細胞結構的多細胞真核化石（163億年前），可能是一種已滅絕的真核藻類（確切關係未知）。
因為學術界普遍接受的最早的真核生物（單細胞真核化石）化石記錄是在大約16年前的華北和澳大利亞北部發現的5億年前的晚古元古代地層。 這種壯觀的綠藻只比這些最古老的單細胞真核化石稍晚出現這表明，在真核生物出現後，複雜的多細胞進化迅速發生。
由於真核藻類（泛染色體植物）屬於冠狀真核生物（現代真核生物）的乙個分支，如果壯麗的青山藻類可以被識別為負責光合作用的真核藻類，那麼真核生物 （LECA） 的最後乙個共同祖先應不遲於 16 歲3億年前！ ，比現在學術界普遍接受的時間提前了近6億年。 這為進一步揭示複雜生命的起源和早期演化之謎，以及地球環境在元古代的演化提供了新的思路。
真核生物系統發育樹簡化圖及真核生物早期重要化石記錄. 在真核生物樹中，虛線代表真核生物的莖群，實線代表真核生物的冠群（真核生物的最後共同祖先Leca及其所有後代）。發散點上的淺灰色條帶表示分子鐘估計的發散時間（Parfrey等人）。, 2011, pnas）.右圖顯示了各種真核生物群的最早化石記錄（根據苗等人，2024年修訂b）。
哈佛大學教授安德魯·諾爾（Andrew Knoll）和中國科學院深海科學與工程研究所研究員屈遠高參與了研究結果。
該研究由國家重點研發計畫（2022YFF0800100）、國家自然科學計畫（41888101、41921002、41972204）和中國科學院交叉學科創新團隊（JCTD-2020-18）共同資助。
相關**：
1]miao, l., moczydłowska, m.*,zhu, s., zhu, m.*,2019. new record of organic-walled, morphologically distinct microfossils from the late paleoproterozoic changcheng group in the yanshan range, north china. precambrian research, 321:172-198.
2]miao, l., yin, z., li, g., zhu, m.*,2024a. first report of tappania and associated microfossils from the late paleoproterozoic chuanlinggou formation of the yanliao basin, north china. precambrian research, 400:107268.
4]miao, l., yin, z., knoll, a.h., qu, y., zhu, m.*,2024b. 1.63-billion-year-old multicellular eukaryotes from the chuanlinggou formation in north china. science advances.
5]zhu, s., zhu, m.*,knoll, a.h., yin, z., zhao, f., sun, s., qu, y., shi, m., liu, h., 2016. decimetre-scale multicellular eukaryotes from the 1.56-billion-year-old gaoyuzhuang formation in north china. nature communications, 7:11500.
選題回顧 |薩默塞特。
文案寫作 |薩默塞特，苗蘭雲，朱茂言，朱鵬飛。
排版編輯 |朱鵬飛.
研究進展 |燕山地區發現世界上最早的多細胞真核化石的科研進展最早在燕山地區發現的最早的真核生物典型化石，塔帕尼亞專訪朱茂言：花了31年時間“穿越”寒武紀，努力解開達爾文的難題。
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