时空手记

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寒武纪大爆发爆出了什么?

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大约5.42亿年前,地球生命史上最快速的演化发生了,在1000多万年的时间里,生命发展出了丰富多彩的形式, 现代动物几乎所有的门类都涌现出来 ,生物学家将这一时期形象地称为寒武纪生命大爆发(the Cambrian explosion)。

the Cambrian explosion

这一爆发式的适应性辐射将地球上生命的历史划分为两个时代——隐生宙(前寒武纪时期)和显生宙。“ 隐生宙 ”开始于大约46亿年前地球刚形成时期,结束于寒武纪之前,跨越大约40亿年,在这期间,生命在地球上首次出现;“ 显生宙 ”则始于寒武纪大爆炸,一直延续到现在,大约有5亿5千万年的历史,其特征是岩石和明显的动物化石。

目前已发现的寒武纪化石记录的物种包括,节肢动物门、环节动物门、古杯动物门、腕足动物门、脊索动物门、栉水母动物门、棘皮动物门、软体动物门、半脊索动物、叶足动物门、多孔动物门、鳃曳动物门等等。

植物

寒武纪光合生物(植物)包括各种原核和真核细菌以及藻类,是动物的主要食物。它们大多是简单的单细胞藻类,单细胞常常聚在一起生长成大的菌落,看起来像一棵大植物。有一种 叫做Margaretia dorus的植物,顶部直径超过2厘米,高度可能超过1米。

Margaretia dorus

古杯动物(Archaeocyatha)

古杯动物出现在寒武纪早期,曾被认为属于多孔动物门,现在古杯则被列为动物界一个独立的门。古杯动物是一种海生多细胞动物,有单体、群体或礁体。古杯动物是海洋底栖生物,大多数固着在海底生活,有些类群也可能会移动。

Archaeocyatha

皮拉尼海绵(Pirania sponge)

皮拉尼海绵存在于中寒武纪,属于多孔动物门。皮拉尼是一种厚壁的圆柱形海绵,最多可以有四个分支。它会依附海底生活,有非常独特的长尖的针状物从外壁伸出,长长的导管在海绵壁上穿孔,水可以流过海绵壁,当有机物颗粒通过海绵壁上的导管时,会被提取出来成为海绵的食物。

Pirania sponge

三叶虫(Trilobita)

三叶虫是寒武纪最具代表性的节肢动物,并且是所有史前动物中演化最成功和存在时间最长的,仅在寒武纪时期,三叶虫的种类便达到了100多种。三叶虫身体扁平、分节,身长从1毫米到超过0.6米都有。现代龙虾和马蹄蟹属于三叶虫的后代。

Trilobita

多须虫(Sanctacaris)

多须虫属于节肢动物门,身长从4.6厘米到9.3厘米不等。它有一个宽的头部护盾, 一对眼睛位于靠近前边缘外侧的头罩上。身体的其余部分被分成十一个节段,尾节很宽呈桨状,后缘有刚毛。前额附肢和眼睛的存在表明,多须虫是一种可以自由游动的食肉动物。 多须虫可能是鲎、蜘蛛和螨的祖先。

Sanctacaris

Diraphora bellicostata

Diraphora生长在中寒武纪,属于腕足动物门,其最大尺寸也只有10毫米。 Diraphora从合叶处向其表面辐射出清晰的饰线(肋),贝壳与短而小的牙齿连接起来。它有一个短而结实的茎可以让其附到基质上。Diraphora 通过位于贝壳之间一种被称为lophophore的过滤装置,从水中提取食物颗粒。

Diraphora bellicostata

始海百合(Eocrinoidea)

始海百合是一类较为原始的棘皮动物,出现于寒武纪早期。具有萼、茎、腕及吸盘,其内脏均在萼内。萼由许多多边形萼板组成,萼板间具有缝孔。分布于萼口面的肛锥(anal pyramid),主要起排泄作用。茎有一定程度的柔韧性,用以支持身体,起着临时或永远固着海底的作用。寒武纪棘皮动物多为以悬浮物和碎屑为食。

Eocrinoidea

Canadia spinosa

加拿大布尔吉斯页岩发现的Canadia spinosa,生活在寒武纪中期,属于早期的多毛类环节动物。Canadia spinosa 已经具有和节肢动物截然不同的分节身体和附肢。

Canadia spinosa

怪诞虫(Hallucigenia)

怪诞虫是寒武纪最奇怪的生物之一,属于叶足动物门。 它身长约1厘米,背上长着具有防御功能的刺,身体下方有两排肉足。怪诞虫有一对单眼,但估计其视力非常差。 怪诞虫环状分布的带刺牙齿有助于它进食浮游生物。

Hallucigenia

仙人掌滇氏虫(Diania cactiformis)

仙人掌滇氏虫的许多方面都表明它是一种典型的叶足动物,但同时它又具有节肢动物的特征,因此,仙人掌滇氏虫很可能是一种由叶足动物向节肢动物进化的过渡物种。虫体长约6cm,躯干无披甲,两侧具有10对强壮带刺的腿肢。仙人掌滇氏虫可能以海底沉积物为食,也可能通过它强壮的腿肢来捕捉猎物。

Diania cactiformis

皮卡虫(Pikaia)

皮卡虫,是最早为人所知的脊索动物门成员。它的身长平均只有5厘米,头部很小,上面有两条触角,但没有眼睛。皮卡虫身体扁平,外形好似鳗鱼, 由一条软骨组织构成的坚实脊索贯穿全身,其肌肉呈节状。皮卡虫在海床上通过扭动身体向前蜿蜒行进,也可以利用其身体及阔尾鳍来游出水面,在游动的同时滤食水中的物质。皮卡虫很可能是所有脊椎动物(包括鱼类、鸟类、两栖动物、爬行动物以及人类所属的哺乳动物)的祖先。

Pikaia

海口鱼(haikouichthys)

海口鱼是一种无颌的鱼形动物,属于脊索动物门,它体长4厘米左右,没有坚实的外壳。海口鱼的发现表明,“脊椎动物在早寒武世就已经开始分化了”。脊索与大脑,是无脊椎动物与脊椎动物的最大区别,而海口鱼兼具这两种构造,它被认为是生物演化过程中一个非常重要的环节,也是无脊椎动物向脊椎动物演化的典型过渡代表。

haikouichthys

Ctenorhabdotus capulus

Ctenorhabdotus生存在中寒武纪,属于栉水母动物门 。身体呈卵球形,体长7厘米,有24排“梳子排”(comb-rows),”梳子排”表明Ctenorhabdotus是一个活跃的游泳者。Ctenorhabdotus的口腔发育良好,有边缘起伏,在它的对口一侧有一个小的胶囊状结构,被认为是顶端“平衡囊”。Ctenorhabdotus的进食方式目前尚不清晰。

Ctenorhabdotus capulus

班府虫(Banffia constricta)

班府虫生长在中寒武纪,目前属未知门类。它的身长可达10厘米,被分成大致等长的两部分。前部是两个融合的光滑外壳,后段被精细分割成50个节段,明显比前段更灵活。嘴在前面,被冠状的部分围绕,肛门在末端一个尾状切口之间。班府虫很可能生活在海底的淤泥上,靠灵活的尾部运动。

Banffia constricta

herpetogaster

herpetogaster生存在中寒武纪,目前属未知门类。herpetogaster由一个主干和一对触须以及可弯曲的的匍匐茎组成。它的触须长而柔韧,并且有很多分支。嘴位于两个触须之间,肛门位于末端。匍匐茎的终端是一个扁平的圆盘,可以锚定在海床或其他生物上。目前尚不清楚herpetogaster是否被长期固定在一处,也不清楚它是滤食以水中的颗粒物,还是用可抓握的触须捕食小猎物。


herpetogaster

高足杯虫(Dinomischus isolatus)

高足杯虫生存于中寒武纪,目前尚属未知门类。高足杯虫大约28毫米高,包括一个杯状的花萼,花萼由一个长茎支撑,长茎末端是膨胀的球茎。花萼中央是一个U形的肠道,腹部中央有一个巨大的囊状结构,上表面有口和肛门。花萼上缘有20个约4.5毫米长的硬苞片围成一圈,它们向上生长,超出肛门和口腔的水平位置,被认为是过滤摄食装置的一部分。

Dinomischus isolatus

乌海蛭(Odontogriphus omalus)

乌海蛭生活在中寒武纪,属于软体动物门。它身长125毫米,宽43毫米,身形像一个被压扁的卵球,前后都是半圆形的轮廓,背表面光滑。嘴在身体腹侧,舌齿由两排牙齿组成。肌肉脚从嘴后延伸到身体的后部,周围有鳃(或丝状体)。乌海蛭是一种食草动物,以底栖的片状蓝藻群为食,。肌肉脚内产生的运动波浪能够让其沿着泥面爬行。

Odontogriphus omalus

Louisella pedunculata

Louisella pedunculata存在于中寒武纪,属于鳃曳动物门。Louisella pedunculata是一种环状蠕虫,长度大约30厘米,身体前端有一个可翻转的、有牙齿的进食结构(长鼻子),并且有一条从前侧的嘴一直接通到后侧的肛门的肠道。Louisella pedunculata是穴居食肉动物,它的长鼻很适合研磨食物,因此它可以猎食较大的动物。目前尚不清楚它是一个主动的狩猎者,还是以动物尸体为食。

Louisella pedunculata

奇虾(Anomalocaridid)

奇虾,属于节肢动物门,是寒武纪已知动物中体积最庞大的,长度可达2米。奇虾不善于行走,但能通过扇动身体两侧的叶片快速游动运动。奇虾有一对带柄的巨眼,它的嘴巴好像一个圆盘,由32个重叠的吸盘组成,口中有环状排列的外齿,可掠吞食并压碎猎物。奇虾嘴巴前面有两只强大的、抓力巨大的钳子,钳子上有许多根倒钩似的尖刺,可以用来捕获猎物。奇虾还有一个美丽的大尾扇和一对长长的尾叉。

Anomalocaridid

水熊虫(Tardigrade)

水熊也称水熊虫(Water Bear),属于缓步动物门。水熊从寒武纪存在至今,是地球上已知生命力最强的生物。水熊体型极小,长度只有50微米-1.4毫米,它的身体表层覆盖着一层水膜,可以避免身体干燥,水熊虫还可以同时呼吸水膜中的氧气。水熊虫有四个体节、一个头部,头上的口器看起来像一个喇叭形的吸管,它有四对脚,脚上都有爪子。
水熊虫的分布相当广泛,遍布于世界各地,喜马拉雅山脉、温泉、南极和深海都有它的身影。水熊虫在-272℃到151℃的条件下均可存活,能抗住的压力大约是目前最深海沟水压的6倍,它能够承受的电离辐射的剂量,是人类致死剂量的数百倍。甚至真空状态下,水熊虫还能正常产卵。

Tardigrade

寒武纪大爆炸成因

有许多理论试图解释寒武纪生命大爆发的成因,如:(1)光合作用的藻类不断排放氧气,使得海水中含氧量不断增加,促进了身体结构和生命形式向更复杂的方向进化;(2)地理构造事件使得海平面上升,淹没了低洼的陆地,创造了很多适合于繁殖新生物的浅海栖息地;(3)全球气候变暖,环境变得更加适宜新物种的生存;(4)温度升高和地球构造的变化,改变了海洋化学,海洋钙浓度的大幅增加,使得早期生命演化出壳和骨骼,导致寒武纪动物迅速演化;(5)物种之间的生态关系,如食物网的变化、对食物和空间的竞争,以及捕食者与猎物之间的关系,是促使物种突然大规模共同进化的原动力。

答案很可能是这些理论的结合。

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