寒武纪：生物大爆发的时代

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寒武纪（Cambrian period）是地质年代划分中属显生宙古生代的第一个纪，距今约5.43亿至4.9亿年。寒武纪是地球上现代生命开始出现、发展的时代，俗称为“三叶虫的时代”，这是因为全球寒武纪岩石中都保存有大量三叶虫化石，其他门类化石相对很少。从寒武纪起出现了丰富多样且比较高级的海生无脊椎动物和少量脊椎动物，如近年发现的海口鱼化石。大量具硬壳或骨骼化石的保存，使我们有条件研究当时生物界的状况，并能够利用生物地层学方法来精确地划分和对比地层，进而研究生物界比较完整的发展历史。在寒武纪开始后的短短数百万年时间里，包括现生动物几乎所有类群祖先在内的大量多细胞生物突然出现，这一爆发式的生物演化事件被称为“寒武纪生命大爆发”(Cambrian explosion)。

寒武纪生命爆发的典型代表是我国云南的澄江动物群，它是世界上目前所发现的最古老、保存最为完整的带壳后生动物群。该动物群是我国古生物工作者1984年在云南澄江县帽天山首先发现的。这是一个内容十分丰富、保存非常完美，距今约5.4亿多年的化石群。其成员包括水母状生物、三叶虫、具附肢的非三叶的节肢动物、金臂虫、蠕形动物、海绵动物、内肛动物、环节动物、无绞纲腕足动物、软舌螺类、开腔骨类，以及藻类等，甚至还有属于低等脊索动物或半索动物、拟脊椎动物等。由于许多动物的软组织印痕保存完好，为研究早期无脊椎动物的形态结构、生活方式、生态环境等提供了极好的材料，同时也成了探索地球上大壳后生动物爆发事件的重要窗口。云南澄江动物群的发现，使得我们对前寒武纪晚期到寒武纪早期生命的进化发展有了较为清晰的认识。它在生物进化上的意义至少可以概括为两点：首先，该动物群的发现，再次证实了“生命大爆发”的存在，成为“寒武纪生命大爆发”理论的重要支柱。同时，它还是联系前寒武纪晚期到寒武纪早期生命进化过程的重要环节。

虽然寒武纪出现多门类化石，但三叶虫占明显的统治地位，其种类和数量是其他物种不可比拟的。三叶虫属于节肢动物门、三叶虫纲，仅生活在古生代的海洋中，因虫体外壳纵分为一个中轴和两个侧叶，由前至后又可分为头、胸、尾三部分，故名三叶虫。三叶虫全属海生，多数营游移底栖生活，少数钻入泥沙中或漂游生活。寒武纪早期出现，种属和数量都很多，到晚寒武世发展到高峰，奥陶纪仍然很繁盛，进入志留纪后开始衰退，至二叠纪末则完全绝灭。民间常把三叶虫称为蝙蝠虫，这是因为最初在华北发现的一些三叶虫尾部颇似蝙蝠展翅而得名。三叶虫由于形态美观、演化迅速，是划分和确定地层时代的标准化石，在科普文献及地学、生物学教科书中常与恐龙一同作为古生物的形象代表。保存三叶虫的优质石料可以制作成砚台、石匾等具有保存和观赏价值的工艺品。

新疆寒武纪地层分布有限，出露面积是各纪地层中最小的。但寒武系顶底齐全，即整个寒武纪的地质记录完整，是我国西北研究寒武系及其顶底年代界线的最佳地区之一。目前已知三叶虫最为丰富的地点包括阿克苏地区的柯坪塔格山、塔里木东北缘的库鲁克塔格山和伊犁盆地北缘的科古琴山及甘新交界的北山等地。寒武纪这一时期，新疆塔里木为海水较浅的陆棚海，生长大量底栖型三叶虫；西天山和北山等地为狭长、海水较深的海槽，发育浮游生活的球接子类三叶虫。新疆其余各地大多为隆起的古陆。

1.柯坪的三叶虫

由阿克苏沿314国道南行数十千米，我们可以看到公路西侧塔里木盆地边缘拔地而起的柯坪塔格山。柯坪县是一个地处偏僻、名不见经传的小县，然而，这里的早古生代地层，特别是寒武纪和奥陶纪地层发育齐全，与下部的震旦系为连续沉积，古生物化石丰富，其中三叶虫类型与库鲁克塔格和科古琴山有别，属华北形。化石以底栖类型为主，其普遍表现为个体较大，形态多样，其不仅对塔里木寒武纪地层划分具有意义，而且具有一定的观赏价值。柯坪三叶虫化石最初由区域地质调查工作者于20世纪50年代发现，1959年南京古生物研究所进行了一些采集研究工作。1964年，1973年，新疆古生物学者张太荣、乔新东曾两次赴柯坪进行了系统采集和研究，发现了许多新属种，成果已在1981年出版的《新疆古生物图册》反映。1985年以后，配合石油开发的需要，塔里木石油勘探开发指挥部、西北石油局等单位又与南京古生物所合作进行了新的研究工作。

2.库鲁克塔格的三叶虫

库鲁克塔格山位于库尔勒以西到罗布泊北一带。这里的三叶虫是由中瑞西北科学考察团于1927～1933年的考察中在却尔却克山发现的。化石由E.诺林采集，G.T.楚得生鉴定研究，1937年发表于中国古生物志。库鲁克塔格的三叶虫与柯坪的类型不同，属江南型，同我国浙江一带的三叶虫相类似，主要为浮游生活的球接子类，个体相对较小，观赏性差一些。但也有部分属种个体较大，形态美观，如诺林却尔却克虫等。G.T.楚得生在研究该地的三叶虫时建立了赫定虫、诺林却尔却克虫等许多新属种，这些新属种一直为古生物教科书的经典分子，也为后来新疆三叶虫的研究奠定了扎实基础。

从新疆的地理和交通条件来说，在当时能够到达库鲁克塔格这样荒芜、缺水、地形困难的地区非一件易事。中瑞西北科学考察团团长、著名探险家斯文赫定曾在《亚洲腹地探险八年》一书中对这段艰辛历程进行了详细叙述。

3.果子沟的三叶虫

由赛里木湖南行入伊犁盆地，要穿越风景秀丽的果子沟峡谷。在果子沟附属的支沟将军沟、磷矿沟、凯拉克提及其以西的科古琴山等地，寒武纪地层发育良好，产大量三叶虫化石。这里的三叶虫类型与北山和库鲁克塔格的三叶虫相同，同属江南型。由于该区寒武纪地层厚度很薄，直至上世纪70年代，这些保持完好的三叶虫才被地质工作者发现，也因此才确定西天山寒武纪地层的存在，这对西天山的地质演化具有重大的意义。1977年至1985年，张太荣等历时数年完成了该地三叶虫的采集和描述，出版了《新疆北天山西段寒武纪地层和三叶虫动物群》一书。书中介绍了84属182种三叶虫化石，其中8个新属，70个新种，证实该区是中国江南型三叶虫最为丰富的地区。

三叶虫属于脊椎动物门、三叶虫纲。它们生活在远古的海洋中，主要出现在寒武纪，到寒武纪晚期时发展到顶点。此后，三叶虫从极盛的高峰走向衰退，延续到二叠纪末期时绝灭，没有进入中生代。三叶虫在整个古生代3亿多年的漫长地质历程中生生不息，繁衍出了众多的类群和巨大的数量，总计有1500多个属，1万多个种，其中发现于我国的有大约500个属。

三叶虫的形状大多为卵圆形或椭圆形，个体大小相差却很悬殊。发现于葡萄牙奥陶纪地层中的乌拉裂肋虫是最大的三叶虫之一，长达70厘米。而古盘虫、球接子之类的微小三叶虫却只有不到6毫米。常见的三叶虫一般长度都在3到10厘米，宽度在1到3厘米。超过20厘米的就算大型的了。在我国昆明寒武纪早期地层中曾经发现过长度为30厘米的莱得利基虫。

三叶虫化石广泛地分布在世界各地，因而对划分地层非常重要。但同时，许多三叶虫的属种又具有地方性特色，因而它们又对划分当时的海域分区，进而恢复当时的生物地理区系具有重要意义。

三叶虫生活的年代距今虽然遥远，但是科学家对它的形态、构造等特征的了解是相当充分的，主要的原因有以下几点：首先，三叶虫身体表面披有坚固的甲壳，在个体发育过程中经历多次脱壳生长，所以它们在地层中遗留下的化石数量比其他生物要多；其次，寒武纪海洋中很少有比三叶虫更大、更凶暴的动物和它生活在一起，因此它们能够迅速繁衍，广泛分布；此外，三叶虫化石大多保存在质地细致的石灰岩或页岩中，因此，不仅外壳的特征能够被观察得很清楚，而且有时其内部构造也能被看得很清晰。

三叶虫的主要特征表现在它的背壳构造，其头部中央有一个突起的“头鞍”，可能是安置脑的处所。头鞍的表面有的光滑无饰，有的瘤斑点缀，还有的具有为数不等的横沟。这些横沟被称为“头鞍沟”。头鞍两侧，一般有成对的眼睛。沿眼睛的前后有一条沟，称为“面线”，这是三叶虫成长过程中借以脱壳钻出身体的地方。头部腹面的前端有一对分节的触须，既是行动器官，又是感觉器官。触须的后面是摄食的口，通常盖着“唇瓣”。口两侧有许多细小而分节的行动器官——附肢，附肢上有细密的纤毛，大概可以起到呼吸的作用。

三叶虫的胸部分节，多者达十几节，少者只分两节。各节之间以覆瓦状（即像房顶的瓦片一样一片覆叠在另一片的上面）关联起来，便于卷曲活动。三叶虫腹面两侧有为数众多的分节附肢，附肢上具有纤毛，因此这些附肢也兼负行动和呼吸之用。三叶虫的尾部和胸部一样，纵向上分为中轴及其两侧的肋叶部，其形态多样；尾部的边缘有的带刺，有的不带刺。

三叶虫的生活习性是多种多样的，化石中最多的一类是保存在石灰岩或页岩中，可见当时它们大多生活在浅海底或游移于淤泥之上。它们有的稍能游泳，有的随水漂流。志留纪中期的齿虫类，整个身体几乎被密密的长刺包围，这些长刺对于它们在水里游泳来说是一种强有力的推进器，因此可以推测它们是游泳的能手；同时，这些长刺也是抵御天敌的有效武器。这种类型的三叶虫主要是出现于奥陶纪到泥盆纪时期，当时与它共生的鹦鹉螺类、板足鲎类和鱼类都是三叶虫的劲敌，如果三叶虫不增强它的游泳能力和御敌的武器，它们怎样在那个竞争激烈的环境中继续生存繁衍呢？

奥陶纪的某些三叶虫，如宝石虫、斜视虫、隐头虫等还发展了卷曲的能力，它们的头部和尾部可以完全紧接在一起，仅将背部的硬壳暴露在外；它们还可以钻进淤泥以保护其柔软的腹部器官，这样，一方面便于御敌，另一方面也可以以类似于尺蠖那样的伸曲的方式推动身体前进。

对于三叶虫的个体发育过程，科学家通常是通过采集同一层位中同一种个体的不同生长阶段的标本来研究的。三叶虫的个体发育，大致划分为三个时期——幼年期、中年期和成年期。幼年期虫体头部和尾部尚不分明，也没有胸节，直径大约为0.24－1.3毫米。中年期虫体头部和尾部已经分开，胸节也已经发育，但是节数比成年期少一节。成年期虫体的胸部与尾部节数增加到了极限，虫体增大，壳上的刺、瘤等附加物均出现了。

三叶虫自从在寒武纪早期出现以后，在整个系统演化中各部主要构造特点也逐渐发生相应的变化，这些变化规律主要有下列几方面：1、头鞍形态的变化：寒武纪早期的原始三叶虫的头鞍形态多为长圆锥形，凸起也不显著。往后到了寒武纪中期以后，头鞍逐渐缩短，两侧趋向平行，成为圆柱形，甚至有的成为了球形。到了寒武纪晚期及以后的三叶虫，甚至头鞍与其两侧的颊部分界也不清楚了。2、面线后支所在位置的变化：早期三叶虫的面线后支（即眼睛之后的那段面线）终点常与头部的后边缘或两颊角相交；往后到了奥陶纪以后的类型，则常与头部的两旁侧缘上相交。3、眼的变化：某些三叶虫的眼睛。早期是新月形的，随后逐渐变小，最后消失。另一类复眼比较发达的三叶虫，眼睛则由小变大，最后会出现眼柄，眼睛则长在高高耸起的眼柄顶端上。志留纪的许多三叶虫就属于这一类。4、身体周围长刺的变化：寒武纪和奥陶纪的三叶虫很少长刺，而志留纪及其以后的类型长刺较为多见，而且刺比以前的也更加复杂。5、胸节由多变少，尾部由小变大，头鞍上的横沟由多到少等等趋势也在许多类型的三叶虫中显示出来。

4．43亿年前，一场毁灭性的伽马射线爆可能导致了地球上大部分生物的灭绝。

一支由天体物理学家和古生物学家组成的研究小组，在研究三叶虫化石时发现三叶虫灭绝时的形态模式，与伽马射线爆造成的后果十分相似。科学家指出，如果伽马射线爆发生在我们的星系内并直接冲向地球，大气层会吸收绝大部分伽马射线，高能射线会撕裂氮气和氧气分子，形成大量氮的氧化物，特别是有毒的二氧化氮。二氧化氮会破坏臭氧层，使地球表面生物长期受到过量紫外线照射，最终导致地球生物的灭绝

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