“全能選手”牙形刺：中國(guó)4顆“金釘子”都以其作為界定標(biāo)準(zhǔn) _動(dòng)物

牙形動(dòng)物復(fù)原圖（據(jù)Purnell et al,1995 ）

產(chǎn)地：貴州納饒層位：石炭系格舍爾階
（）據(jù)中國(guó)科學(xué)報(bào)（張文靜）：2018年6月，國(guó)際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會(huì)以全票通過(guò)的表決結(jié)果，批準(zhǔn)把寒武系第三統(tǒng)和第五階的“金釘子”“釘”在了中國(guó)貴州劍河，即寒武系苗嶺統(tǒng)烏溜階，結(jié)束了國(guó)際地層委員會(huì)寒武系分會(huì)對(duì)該“金釘子”長(zhǎng)達(dá)20余年的研究和選擇。隨著這顆“金釘子”的確立，中國(guó)以11顆的數(shù)量成為全球獲得“金釘子”最多的國(guó)家。
“金釘子”是全球年代地層單位界線層型剖面和點(diǎn)位（GSSP）的俗稱。自46億年前地球形成開(kāi)始，滄海桑田，層層的巖石在原始的地殼上慢慢覆蓋起來(lái) 。從地質(zhì)學(xué)上來(lái)說(shuō) ，這些巖石就是地層。每一個(gè)地層都有其相應(yīng)的地質(zhì)年代， “金釘子”就是年代地層的“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)”，對(duì)照它，便可以標(biāo)出它及其上下地層的“年齡” 。
在中國(guó)的11顆“金釘子”中，有4個(gè)是以同一種化石作為界定標(biāo)準(zhǔn)的，這種重要的化石就是牙形刺。
身世謎題
1856年，德籍俄國(guó)人潘德?tīng)栕钤缭诓_的海地區(qū)發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了牙形刺化石，此后這類化石的發(fā)現(xiàn)與研究源源不斷地涌現(xiàn)出來(lái) 。
在早期發(fā)現(xiàn)者們的眼中，這類化石的長(zhǎng)相有些怪異，它們個(gè)頭很?。?多刺，呈齒狀。這到底是哪種動(dòng)物留下的骨骼？一時(shí)間，人們意見(jiàn)紛紛，爭(zhēng)執(zhí)不休。最初，潘德?tīng)栒J(rèn)為牙形刺是魚(yú)類的牙齒，后來(lái)有人提出它們可能是環(huán)節(jié)動(dòng)物的顎器，也有人認(rèn)為它們是腹足類的齒舌。節(jié)肢動(dòng)物、頭足動(dòng)物、袋蟲(chóng)類、毛顎類、動(dòng)吻類，甚至植物都在人們的猜測(cè)對(duì)象之列。其中，魚(yú)類假說(shuō)和環(huán)節(jié)動(dòng)物假說(shuō)占據(jù)了主流。這些假說(shuō)基本上都是將牙形刺化石的形態(tài)特征與現(xiàn)生生物類比而作出的推斷。
直到1983年牙形動(dòng)物軟體化石在蘇格蘭的下石炭統(tǒng)被發(fā)現(xiàn)以后，人們才恍然大悟，原來(lái)此前的類比方向有誤，其實(shí) ，牙形刺屬于一類已經(jīng)絕滅的海生動(dòng)物的骨骼化石，它們的“主人”也就被稱為牙形動(dòng)物。
此后，主流觀點(diǎn)認(rèn)為這種已經(jīng)滅絕的牙形動(dòng)物，是一種最早期的脊椎動(dòng)物。“它與現(xiàn)代的七鰓鰻（八目鰻）很相似，兩側(cè)對(duì)稱，肛門(mén)后位，有尾鰭、背鰭，并有鰭條，有兩個(gè)大眼睛，有肌節(jié)（并發(fā)現(xiàn)纖維肌肉組織）和脊索。重要的是，牙形刺中有與脊椎動(dòng)物牙齒相似的齒質(zhì)（牙本質(zhì)）存在，并在牙形刺的口面，特別是臺(tái)型牙形刺的口面，發(fā)現(xiàn)微磨損，證明牙形刺是牙齒，起粉碎、剪切食物的作用，是食大粒食物的，牙形刺是牙形動(dòng)物的口咽器官，兩側(cè)咬合。”中科院南京地質(zhì)古生物研究所（以下簡(jiǎn)稱南古所）研究員王成源在《化石精英——牙形刺》一文中寫(xiě)道。
當(dāng)時(shí)，英國(guó)幾位最著名的牙形刺專家都認(rèn)為，牙形動(dòng)物有良好的視力，兩側(cè)對(duì)稱，能像鰻類一樣快速游泳，并且很可能是積極捕食的、能適應(yīng)于不同生境的動(dòng)物。
古生物學(xué)家還將牙形刺分為三類，其中，原牙形類出現(xiàn)于前寒武紀(jì)，副牙形類始于早寒武世，而真牙形類則始于晚寒武世。晚寒武世正處于脊椎動(dòng)物演化的早期，人們猜測(cè) ，真牙形類的祖先很可能是來(lái)源于早寒武世多細(xì)胞動(dòng)物的大輻射。
雖然也有人認(rèn)為牙形動(dòng)物并不屬于脊椎動(dòng)物，而屬于原索動(dòng)物，或?qū)儆诩棺祫?dòng)物的姊妹群，但仍屬脊索動(dòng)物。但更多的古生物學(xué)家支持其是脊椎動(dòng)物的觀點(diǎn) 。美國(guó)著名古生物學(xué)家諾爾發(fā)表文章，肯定了牙形動(dòng)物是脊椎動(dòng)物的觀點(diǎn) 。我國(guó)牙形刺專家、北京大學(xué)教授董熙平也通過(guò)對(duì)寒武紀(jì)牙形刺組織學(xué)的研究，贊同牙形動(dòng)物是脊椎動(dòng)物的祖先的學(xué)說(shuō) 。“沒(méi)有牙形動(dòng)物，就沒(méi)有現(xiàn)代的脊椎動(dòng)物，也沒(méi)有人類，它是人類的遠(yuǎn)祖。這已成為牙形刺專家的主流看法。”王成源寫(xiě)道。
演化快、分布廣
“牙形刺化石的拉丁文原意有‘錐子’‘錐刺’的意思，翻譯成中文后，有專家認(rèn)為應(yīng)該叫牙形石，也有專家認(rèn)為應(yīng)該叫牙形刺，還有專家認(rèn)為應(yīng)當(dāng)叫牙形類化石，其實(shí)指的都是這一類化石。”南古所研究員祁玉平告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪人員，牙形刺化石形體很小，一般只有1毫米左右，最大也不過(guò)7毫米，形態(tài)多變，如角錐梳狀、耙狀、臺(tái)狀，顏色各異，廣泛分布于從寒武紀(jì)到三疊紀(jì)的海相地層中，在我國(guó)分布也極為廣泛。
我國(guó)牙形類化石研究始于20世紀(jì)50年代后期。1960年，中科院院士、南古所研究員金玉玕發(fā)表了中國(guó)第一篇牙形類論文。從1973年開(kāi)始，全國(guó)科研機(jī)構(gòu)、高校、石油和地質(zhì)系統(tǒng)的微體古生物工作者，對(duì)全國(guó)各區(qū)域含牙形刺地層進(jìn)行了系統(tǒng)采集和研究。
祁玉平就是這些研究隊(duì)伍中的一員。早年在石油系統(tǒng)工作時(shí) ，他就開(kāi)始從事牙形刺化石的相關(guān)研究，在勝利油田、江蘇油田等地都工作過(guò) 。來(lái)到南古所之后，他的研究重心放在了貴州、廣西的牙形刺化石上。
由于牙形刺化石個(gè)頭很小，在野外很難直接觀察到。所以祁玉平等人常常要在野外采集大量石灰?guī)r，運(yùn)回研究所進(jìn)行研究和分析。他們先用酸性溶液將化石化開(kāi)，然后篩洗、晾干，最后在顯微鏡下挑選。“每次采樣可能會(huì)運(yùn)幾噸回來(lái)，處理起來(lái)也要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間，有時(shí)需要一年。”祁玉平說(shuō) 。
目前的化石發(fā)現(xiàn)表明，牙形刺化石在奧陶系地層中非常豐富，這顯示出奧陶紀(jì)是其演化歷程中第一個(gè)繁盛時(shí)期。在距今約4億年的泥盆紀(jì)，牙形刺又經(jīng)歷了一次大繁榮。進(jìn)入二疊紀(jì)后，牙形刺風(fēng)光不再，處于衰落時(shí)期。在三疊紀(jì)經(jīng)歷了最后的繁盛期后，到約2億年前的三疊紀(jì)末，牙形刺便全部絕滅了。算下來(lái) ，牙形動(dòng)物作為一個(gè)大類在地球上繁衍了至少3.4億年，算是演化比較成功的動(dòng)物。
牙形動(dòng)物不僅存在時(shí)間長(zhǎng) ，它們存在的證據(jù)——牙形刺在地層中的分布也十分廣泛。“分布廣，全球都可以作對(duì)比，這正是牙形刺能成為‘金釘子’界定標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)原因。”祁玉平說(shuō) 。
為尋求世界對(duì)比的共同語(yǔ)言，“金釘子”必須選擇演化快、分布廣、特征明顯的化石作為標(biāo)志，牙形刺顯然符合這樣的條件。在寒武紀(jì)、奧陶紀(jì)、志留紀(jì)、泥盆紀(jì)、石炭紀(jì)、二疊紀(jì)和三疊紀(jì)七個(gè)地質(zhì)時(shí)代，牙形刺都已成為主導(dǎo)化石門(mén)類。只要發(fā)現(xiàn)一個(gè)牙形刺化石，這些地層時(shí)代就能得到精確確定。
以色看油尋氣
除了能在全球地層界線層型和點(diǎn)位確定中發(fā)揮重要作用之外，牙形刺化石還是油氣勘探開(kāi)發(fā)中的尖兵，后者依靠的其實(shí)是牙形刺的“色” 。
牙形刺由碳磷灰石、細(xì)晶磷灰石組成，含有微量的有機(jī)質(zhì)和氨基酸。“因?yàn)檠佬未毯杏袡C(jī)質(zhì)，被埋藏在地層中并經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的時(shí)間后，在地?zé)岬淖饔孟?nbsp;，它的有機(jī)質(zhì)會(huì)降解，它的顏色也會(huì)由淺色變成深色。利用牙形刺的色變指標(biāo)，我們就可以判斷其所在地層中的石油有機(jī)成熟度，從而直觀地判斷出該地層保存的是油還是氣。”祁玉平解釋說(shuō) 。
美國(guó)科學(xué)家最先用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了牙形刺的不同顏色與有機(jī)變質(zhì)程度有直接的關(guān)系，這種變化與溫度、埋藏深度和時(shí)間有關(guān) 。這種顏色的變化由淺到深，逐漸變化，且是不可逆的。所以，利用牙形刺的色標(biāo)指標(biāo)，就可以圈定石油和天然氣的未成熟區(qū)、成熟區(qū)和過(guò)成熟區(qū)，也就可以知道哪些地區(qū)可能有油有氣，哪些地區(qū)無(wú)油有氣，哪些地區(qū)無(wú)油無(wú)氣。美國(guó)曾用這種方法在阿拉斯加地區(qū)圈定并找到重要的油氣藏，我國(guó)也用此方法大致圈定了華南、華北油氣勘探區(qū) 。近年來(lái)，美國(guó)科學(xué)家還研究了牙形刺色變指標(biāo)與卡琳型金礦的關(guān)系，預(yù)計(jì)在尋找碳酸巖地區(qū)卡琳型金礦方面，牙形刺同樣會(huì)起到重要作用。
由此看來(lái)，牙形刺確實(shí)是化石中的“全能選手” ，在各個(gè)方面都能大顯身手，發(fā)揮重要的作用。