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如果讓你對今天地球表面的生命面貌進(jìn)行簡單描述，你會怎樣回答？看看我們的餐桌就知道了，禽畜蛋奶、蔬菜水果、谷物堅(jiān)果、真菌海藻……從更學(xué)術(shù)的角度形容，即動物、真菌、陸生植物與多細(xì)胞真核藻類。如果你對生物學(xué)有所了解的話，你會知道，這些我們?nèi)粘Ｈ庋劭梢姷纳?，基本屬于具有?fù)雜多細(xì)胞結(jié)構(gòu)的真核生物，也稱為復(fù)雜生物，或者“高等生命”。它們是今天地球上真正的主宰者。如果一個外星人降臨地球表面，那么他最先看到的生命形式極大概率是復(fù)雜生物，而不是那些肉眼難以分辨的細(xì)菌、古菌和單細(xì)胞真核生物。

云南省大理白族自治州無量山中拍攝的大紅菌（圖片來源：新華社）

云南盈江成熟的堅(jiān)果（圖片來源：新華社）

從海里撈上岸的滸苔（圖片來源：新華社）

01 真核生物的起源

真核生物是何時起源的？目前眾說紛紜，從27億年到18億年前不等。但目前普遍認(rèn)為，其起源過程，涉及真核生物細(xì)胞內(nèi)的能量工廠線粒體的祖先—一種α變形菌，與真核生物的主體祖先—一種阿斯加德古菌（Asgard）的內(nèi)共生。這兩種原核生物的組合，產(chǎn)生了真核生物的祖先。

不過，內(nèi)共生發(fā)生的具體過程在今天仍有爭議，且其中也可能涉及其他古菌和細(xì)菌的基因轉(zhuǎn)移，以及真核生物本身的基因創(chuàng)造與倍增。當(dāng)?shù)谝粋€真核生物誕生之時，其細(xì)胞復(fù)雜程度與能量利用效率與它的原核生物祖先相比，已經(jīng)要高出數(shù)個數(shù)量級。這奠定了未來真核生物產(chǎn)生復(fù)雜多細(xì)胞化的基礎(chǔ)。

動物（屬真核生物）的細(xì)胞結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：人教版高中生物教材-必修1）

大腸桿菌和藍(lán)細(xì)菌（屬于原核生物）的細(xì)胞結(jié)構(gòu)示意圖（圖片來源：人教版高中生物教材-必修1）

除了與線粒體內(nèi)共生，一些能夠進(jìn)行產(chǎn)氧光合作用的藍(lán)細(xì)菌與早期的真核生物發(fā)生了內(nèi)共生，這便是真核生物細(xì)胞內(nèi)葉綠體的來源，這也使得真核生物也可以利用光能、水和二氧化碳合成有機(jī)物，從此地球上的生產(chǎn)者不再只有那些原核生物，這些能夠進(jìn)行光合作用的真核生物在后來演化成了陸生植物和各種真核藻類，最終取代原核生物成為地球上最重要的初級生產(chǎn)者。

02 真核生物的早期多樣化

真核生物起源并不意味著冠群真核生物（今天所有真核生物的最近共同祖先及其后代）的誕生，正如人類可能在約600萬年前便起源了，但是我們現(xiàn)代人這個物種在約30萬年前才出現(xiàn)。目前的研究認(rèn)為，所有現(xiàn)生真核生物的最近共同祖先的起源時間從18億年到12億年不等。從真核生物起源到冠群真核生物起源，這中間可能產(chǎn)生了大量早已滅絕的干群真核生物類群。

澳大利亞科研人員發(fā)現(xiàn)目前確切最早的真核生物化石（圖片來源：微博截圖）

目前最早的確切的真核生物化石發(fā)現(xiàn)于中國和澳大利亞約16.4億年前的地層中，這些化石非常小，肉眼不可見，且生物分類屬性不明，被歸為疑源類。但是別看它們體型小，在演化上它們是劃時代的巨人，其化石表面出現(xiàn)的突起和裝飾表明它們屬于真核生物無疑，但它們是否屬于冠群真核生物難以確定。有趣的是，去年的一項(xiàng)研究認(rèn)為，地球在距今16.4-8億年前，曾廣泛存在能夠產(chǎn)生原始固醇的干群真核生物，而這段時間內(nèi)一些無法被歸入冠群的真核生物化石，可能屬于干群真核生物。

03 復(fù)雜生物的起源

地球歷史上距今約18-8億年這段時間被稱為無聊的10億年，這是因?yàn)樵谶^去科學(xué)家們認(rèn)為這段時間內(nèi)地球的環(huán)境與生物面貌均沒有發(fā)生太大的變化。但正如前文所述，不光真核生物最早的化石出現(xiàn)于這一時間，諸多目前可以識別的最早的冠群真核生物化石也出現(xiàn)于此時，包括最早的綠藻化石原剛毛藻（Proterocladus）、最早的紅藻化石似紅毛菜（Bangiomorpha）、最早的真菌化石尾球菌（Ourasphaira）、最早的動物總界化石雙型胞蟲（Bicellum），以及疑似最早的黃藻化石古無隔藻（Palaeovaucheria），所有這些化石的年齡，都在距今約10億年前后，而這些化石的出現(xiàn)也意味著，復(fù)雜生物的多細(xì)胞化很可能在早于10億年前便已經(jīng)發(fā)生，這種多細(xì)胞化并不是簡單的細(xì)胞聚集，而是涉及具有不同功能的細(xì)胞的分化，這為未來復(fù)雜生物組織、器官、系統(tǒng)以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ)。

04 真核生物大型化的早期嘗試

雖然早在約10億年前，紅藻、綠藻、動物總界和真菌已經(jīng)可以找到對應(yīng)的化石記錄，但是當(dāng)時的海洋生態(tài)系統(tǒng)，可能仍以原核生物和干群真核生物占主導(dǎo)，早期的多細(xì)胞真核生物體型很小，大小只有微米級別。而一些分類位置不明的真核生物比如丘爾藻（Chuaria）、塔烏藻（Tawuia）、龍鳳山藻（Longfengshania）、似沙蠋藻（Pararenicola）、原沙蠋藻（Protoarenicola）、霍氏串珠（Horodyskia）等化石的體型可以達(dá)到毫米級別，它們可能是一些單個細(xì)胞具有多個細(xì)胞核的藻類，在距今約10-8億年的地層中分布廣泛，也是當(dāng)時海洋中重要的生產(chǎn)者。其中一些甚至演化出了簡單的固著結(jié)構(gòu)，可以固著在海底而不是漂浮在海水中隨波逐流，這說明真核生物在當(dāng)時已經(jīng)開始嘗試占據(jù)底棲生態(tài)位，具有表層和底層分層結(jié)構(gòu)的立體的真核生物海洋群落開始形成。

05 雪球地球的考驗(yàn)

那么微小的，毫不起眼的多細(xì)胞真核生物，最終是如何開始正式在地球舞臺上大放異彩的呢？

在成冰紀(jì)（7.2-6.35億年前），地球經(jīng)歷了兩次全球性的冰期事件——斯圖特冰期（7.17-6.59億年前）和馬里諾冰期（6.45-6.35億年前），也被稱為雪球地球事件。這兩次冰期事件對于復(fù)雜生物來說，不僅是考驗(yàn)，也是機(jī)會。雪球地球的寒冷環(huán)境可能造成了淺海中原核生物的衰退，為復(fù)雜生物創(chuàng)造更多的生態(tài)位，同時也對復(fù)雜生物形成嚴(yán)苛的自然選擇，使得其向大型化、復(fù)雜化的方向發(fā)展。

在雪球地球結(jié)束之后，全球溫暖濕潤的環(huán)境造成陸地的化學(xué)風(fēng)化加強(qiáng)，大量營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入海洋，促進(jìn)了海洋生產(chǎn)力的提高，從而提升了大氣與海洋中的氧氣濃度。由于這一時期全球能夠保存化石的沉積記錄有限，科學(xué)家對于雪球地球時期的生命面貌與演化過程知之甚少。

科學(xué)家提出6.35億年前“雪球地球”新模型（圖片來源：微博截圖）

06 復(fù)雜生物的崛起

在雪球地球結(jié)束之后的埃迪卡拉紀(jì)（6.35-5.388億年前），復(fù)雜生物的復(fù)雜性與體型和雪球地球之前相比均大幅增加。我國約6億年前的藍(lán)田生物群便完美地記錄了這個過程，藍(lán)田生物群發(fā)現(xiàn)了大量呈叢狀、錐狀、扇狀等形態(tài)復(fù)雜的宏體藻類化石，甚至還發(fā)現(xiàn)了5種可能的動物化石。

與此同時，我國6.35億年前蓋帽白云巖中陸生接合菌和6億年前甕安生物群中地衣化石的發(fā)現(xiàn)，也表明真菌的適應(yīng)輻射和陸生化在埃迪卡拉紀(jì)之前便開始發(fā)生，真菌的提前登陸可能為約5億年前陸生植物的登陸提供了先決條件。

在5.8-5.4億年前，地球上廣泛存在埃迪卡拉動物群和遺跡化石，這意味著在此時動物開始對地球的海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。藻類伴隨著動物對海底沉積物的擾動，它們的固著器開始從簡單的圓盤狀和球狀向擬根狀演化，以適應(yīng)更加柔軟的基底。

在約5.4億年前的埃迪卡拉紀(jì)末期，雖然我們?nèi)匀豢床坏浇裉斐Ｒ姷膭游镩T類和陸生植物，但是包括紅藻、綠藻和褐藻在內(nèi)的多細(xì)胞藻類與以埃迪卡拉動物為代表的早期動物已經(jīng)宣告復(fù)雜生物的時代正式到來。

作者：牛長泰 中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所博士研究生

審核：袁訓(xùn)來?中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所 研究員

出品：科普中國

參考文獻(xiàn)：

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[3]Brocks J J, Nettersheim B J, Adam P, et al. Lost world of complex life and the late rise of the eukaryotic crown[J]. Nature, 2023, 618(7966): 767-773.

[4]Vosseberg J, van Hooff J J E, K?stlbacher S, et al. The emerging view on the origin and early evolution of eukaryotic cells[J]. Nature, 2024, 633(8029): 295-305.

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