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海底黑煙囪的聯想之二

在2009年4月21日,我寫了ㄧ篇〈海底黑煙囪的聯想〉(PanSci站內連結),原本以為,這只不過是我諸多科普探索的有趣課題之一,寫完以後,就會將之宿諸高閣;沒想到,它竟然像個「魔神仔黏到身」,兩年多以來,一直纏繞在我的思考黑暗角落,也就是催眠業界那些沒搞清楚催眠到底是啥麼碗糕者所謂的「潛意識」當中,三不五時,還從腦袋後面搓我一下;一直到大約半個月之前,這個海底黑煙囪的念頭,又從深海太陽光照射不到的黑暗處,冒泡到寧靜的腦海面,甚至引發成為一個海嘯。

圖一 我的六十大壽最特別,到了這個世界目前唯一發現的埃迪卡拉紀實體化石點,我手指所指的,就是滿地皆是的管狀體古生物化石,前面也有一個,塑膠袋內所裝的,也都是這種管狀體化石。

我這些年來搞世界上首次所發現的那些埃迪卡拉紀實體化石(Body Fossil),一直有一個很大的困擾:從手裡有的樣本和化石點所觀察到的實況來說,這個化石點的古生物化石,基本上可以分成兩大類,(一)管狀體(Tubular Creatures),和(二)葉片體(Frond Creatures),如我命名的黃楊清蓮體(Chinglian huangyoung);當然還有好幾種其它的生物體,如朵西繩蟲(Funisia dorothea),和一些還沒有時間去深入探究的怪咖等等;不過,若以數量來說,斷裂的管狀體碎片最多(圖一圖二),滿地都是,走路很難不踩到,葉片體碎片較少,需要彎腰仔細看一下,其它的生物體,通常還埋在圍岩裡面(圖三),需要回家清理之後才看得見。

圖二 靠近一點拍攝地面,哇塞,到處都是管狀體的碎片,數量無法算數;注意看中央那個從一點幅射成三角形的,好像稻苗。

圖三 這塊帶有圍岩的樣本上,有好幾種不同的古生物,上方有半個像台灣民間「紅龜稞」的古生物,朝向右方略上的,像是剝下來的高麗菜葉片,中央和其餘大部份,是折斷的管狀體古生物,和一些不知道是啥米碗糕的東東。

這些滿地皆是的管狀體,大部份在地表面的,都是已經裂開的半圓碎片,從1~2公分到5~6公分不等;橫向圓管還完整、但不是縱向整個生物體的化石,數量相對少一些,但是還夾在圍岩裡面的,通常比較會有完整較長的管子,直徑從大約1公分到6公分,長度可達1 ~ 20公分,目前採集到最大的一根,長度18公分,直徑6公分,算是我所有管狀體中最大「ㄎㄧㄢ」的,如圖四所示。

圖四 左邊這一根,是目前採集到最大的一根管狀體,長度18公分,管狀體的直徑6公分,管壁厚度0.5公分;左邊這一塊帶著圍岩的樣本,中央那根最大的,直徑2公分,長度14公分,旁邊有好多直徑大小不等的管狀體,似乎也像稻苗那樣子,從一個點幅射開來;這個樣本的背面,主要的也都是直向裂開的管狀體,當然也有一些其它的古生物。

圖五   這是數位化三維的兩根埃迪卡拉紀管狀體視訊短片,大的這根長度13.3公分,直徑3.7公分,細的這根,長度15公分,直徑1.9公分,小的這根之外表,就有很多小瘤,很有可能和粗的那根,不是同樣的生物種。

如果從管狀體的外表型態來看,似乎不只有一種,而是好幾種,有一些是表面相對來說比較平滑,有一些的表面,卻有瘤狀突出(圖五);基本上它們都是直的斷碎片,罕見彎曲,若有彎曲,弧度也很小,猜測是在形成化石過程中被擠彎的;因為這些都是斷片,目前無法判斷整個管狀體原本的長度和型態。

即便管狀體的外表有不同,若從橫切面來看(圖六),管壁的厚度通常在1~ 5 公釐(mm)之間;若仔細看看管壁的橫切面,可以看到同心圓層狀的「年輪」,縱切面也有層狀結構;哼,這果真是這些生物的成長記錄?縱切面的光學顯微照片,更是可以明顯看出層狀結構(圖七圖八)。

圖六 一根直徑較小的管狀體橫切面近拍,可以看到管壁「年輪」狀的同心圓層,中央填滿了「泥巴」;請注意看,管壁最內一圈的紅棕色,中央「泥巴」裡面,也有幾個相同顏色的小區塊,這不會是偶然的吧?

圖七 這兩張照片,上面的是從網路搜索來的,為現生海底黑煙囪大管蟲Riftia pachyptila切面的照片,放大倍率為2000X;下面為我發現埃迪卡拉紀實體化石中管狀體的光學顯微照片;兩者非常類似,明確地顯示多層同心圓環,所以呢?會不會這些埃迪卡拉紀的管狀體古生物,類似於現生海底黑煙囪的大管蟲?

圖八 埃迪卡拉紀實體化石管狀體部份管壁橫切片,可以清楚看到「年輪」狀的同心圓層;圖七右邊為本照片之放大。

接著,再進一步放大來看這些埃迪卡拉紀管狀體古生物,這下子要動用到掃瞄式的電子顯微鏡(SEM, Scanning Electronic Microscope),感謝外甥女,當年在中央研究院工作的時候,「偷偷地」幫我掃了幾百張照片,本文無法一一列舉,就挑四張比較有趣的來看看,圖九到圖十二;這些照片的放大倍率,從800倍到10,000倍(和以上),整個管狀體的內部構造,都被看光光,無處隱藏。

圖九 埃迪卡拉紀管狀體實體化石,管壁內的「細胞」結構,形狀有些奇怪,中央似乎有「細胞核」明顯可見,但是外圍沒有厚厚的「細胞壁」,因此可將植物界排除,但它是動物嗎?不見得。

先從圖九來說,這是一張很有趣的照片,似乎有個明顯的「細胞」外型,中央的部份,好像有看到「細胞核」,但是在整個細胞結構外緣,沒有看到熟悉厚厚的植物細胞壁,這一點,似乎可以把此生物從植物界排除掉,但是,這能否因此就說它是動物界呢?答案是:不一定可以說它就是動物界的生物,因為埃迪卡拉紀的諸多生物群,很有可能是屬於一個或多個已經完全滅絕的生物界,既不屬於動物界,也非植物界,而是如「凡德生物界(Vendobionta)」;因此,這也引發了另一堆大問題,如果是已經滅絕的生物界,而且到現在為止,除了我發現的這些實體化石之外,世界其它各地的埃迪卡拉紀化石都只是鑄模化石,也就是灌模灌出來的,就如公仔那樣,不能拿來做大體解剖,無法深入內部,看看它們的細胞組織結構,也就是說,從來沒人看過埃迪卡拉紀生物的細胞結構,那麼有誰有足夠的經驗能判斷呢?

圖十 埃迪卡拉紀管狀體實體化石,更大的放大倍率(很可惜,當時外甥做的時候,沒有把相關資料放進照片內),似乎可以看到「細胞」內的構件結構,如此的形態,應該不會是無機礦物的結晶,而是從生物體石化的結果。

圖十是一張更有趣、但很可惜沒有把相關資料記錄在一起的掃瞄電子顯微鏡照片,顯示出(可能)「細胞」內部的結構,我從很有限、還記得一點點高中生物學的知識來猜測,照片中央那陀圓圓有兩根細管伸出去到其它部位的東東,會不會就是「線粒體(Mitochrondrion)」?或是其它細胞內的構件呢?救命啊!救命。

圖十一 從埃迪卡拉紀管狀體實體化石管內壁看到這團東西,真是下了一大跳,這是啥米碗糕啊?如此的形狀和大小,都坐落在一般細胞的外型和尺寸範圍內,應該就是某種細胞吧?或者是某種古細菌?

圖十一,哼,這一團又是啥米碗糕?怎麼會長得這麼漂亮可愛?尺寸大小和形狀,都和一般細胞類似,可是它單獨一個,似乎靠在某種「牆壁」(右下角)上,它會是某種細胞?或是和管狀體共生的古細菌呢?還難以猜測。

圖十二 這是埃迪卡拉紀管狀體實體化石管壁內部表面的照片,最有趣的是中央那個倒Y的東東,好像肚子裡面的寄生蛔蟲,終端吸付到宿主肉內,倒底這是怎麼一回事情?會是與管狀體共生的其它生物嗎?

圖十二,這是從管狀體管壁的內側、也就是原本「泥巴」填充那面照到的,外甥女實際上拍到了好幾張類似這樣子的掃瞄電子顯微鏡照片,我只挑這張來做樣本;中央這根倒Y型的東東看起來,直覺上就想到肚子裡面的蛔蟲(寄生蟲),終端吸付在我們的腸子肌肉內,吸付我們身體的養份,它不就是如此嗎?這也就是說,如果管狀體除了(可能)有如圖十一的古細菌共生之外,也有更大型的「寄生蟲」參一咖,果若如此,到底這些大大小小不同生物群彼此之間的關係如何?相互利用?相互有利?我不知道該怎麼說。

目前,我們正在使用國家同步幅射的設備〈用大砲打小鳥〉(PanSci站內連結),進行相關的探索,很多細節還有待進一步的資料收集與分析,不過,從初期的福立業轉換紅外線光譜(FT-IR)數據來看,我這些埃迪卡拉紀的實體化石,在2500-2700cm-1出現了一些很奇怪的波峰,似乎屬於硫氫鍵(S-H Bond)的,整張光譜也和其它化石(如恐龍胚胎骨頭)殘留有機物的不同,意味著在這些埃迪卡拉紀實體化石內,還殘留著不同的有機物;如果不久的將來,我們可以透過這些先進的科學儀器,找出這些埃迪卡拉紀化石內,含有較多的硫化物,那麼,這也就意味著當年這些生物的生活環境,很有可能是類似於今日深海黑煙囪的環境。

圖十三 地球氣候、大氣層含氧量、二氧化碳量與時間 橫軸為時間,縱軸為氣候、大氣含氧量、和大氣二氧化碳含量

如果以上的假設能成立,意味著一些很重大的含意,其中之一為:埃迪卡拉紀的生物,並沒有在埃迪卡拉/寒武紀交接的大滅絕中全部死光光,有些還活到今天,今日深海黑煙囪的大管蟲,就是那個時代存留活到當下的「活化石」證據;達爾文的進化學說與生命樹,或該有所修正。

不過,除了海底黑煙囪的假設之外,我可以想到的,還有另外一種可能;如果從我們整個地球歷史和生態環境的角度來思考,這些生活在大約6億年前的生物,它們的生存環境,和今日我們所熟悉、賴以為生的地球生態,大不相同;先來看圖十三的地球生態史。

這圖十三最下面這行是時間(Time)軸,最左邊是3.8億年前太古代(Archaean),最右邊是現在新生代(Caenozoic);往上這一行是氣候(Climate),中間有一條相對氣溫平均線,在此線之下表示地球處於冰期(Ice Age),地球南北極有冰覆蓋,氣溫較低於平均值,甚至整個地球都處於「冰雪地球(Snow Ball Earth)」,在此線之上,表示地球暖化期,地球溫度高於平均相對溫度,南北極沒有冰層覆蓋;順便提一下,整個中生代(Mesozoic)都處於地球暖化時期,恐龍生活在比現在更為炎熱的環境中,而我們目前的地球溫度,屬於冰期,南北極都有冰層覆蓋,並非地球暖化期。

再往上那行,表示地氣層中相對氧氣(O2)含量,請注意,在原生代(Proterozoic)之前,大氣層中的含氧量非常低,不到今日的0.1%,即便到了古生代(Palaeozoic)開始的時候,大氣層含氧量,也只有今日的10%左右,接著慢慢增加,一直到快進入中生代的時候,空氣中的氧氣,才達到現在的濃度,讓更多生物賴以為生。

本圖最上面的這行,表示大氣層中的二氧化碳(CO2)相對濃度,若從左邊看過來,最早期的地球二氧化碳濃度是1,500%,慢慢減少到500%,然後在原生代兩次相鄰的大冰期期間,大氣中的二氧化碳濃度,在相對很短的期間內,大幅快速增加到大約1,800%,然後又慢慢下降,偶爾會稍微多一些,有時會少一些,終至大約100%的現在。

看了這張整個地球生態的關鍵因素(氣溫、大氣層含氧量、和大氣層二氧化碳含量變化)圖,應該會有個念頭跑出來:我們地球本來就有這些大自然的變化,目前地球正是處於冰期而非暖化期,南北極都被冰層覆蓋,大氣層中的氧氣和二氧化碳濃度,並沒有激烈的脫軌,因此不知道那些高喊地球暖化,甚至南北極都搞不清楚的台灣某過時政客還敢拍出〈±2oC〉紀錄片,這些人到底是真的瞭解地球生態而真心地想保護環境,或只是拿虛幻的數據來做政治鬥爭騙錢?當然,我在此並沒有說我們可以咨意破壞環境,或說不必減少對大氣與環境的汙染,只是點出地球生態環境,原本就有這些變化的自然規律,不容環保政客視而不見。

回到本題,在此圖上,大約在接近6億年前的地方,我畫了一條往上的藍色箭頭,這就是埃迪卡拉紀時候的地球生態環境:那時地球氣溫略低於平均值,大氣層中的氧氣大約只有今天的10%,因而,溶解在海水裡面的氧濃度也比較稀薄,而二氧化碳的濃度,是今天的1,400%左右;哼!這就很有趣了,埃迪卡拉紀的時候,整個生態環境比現在「惡劣」很多的多!而竟然會出現這麼多巨大而複雜的生命,太有趣了,想要探索它們出現的原由,太有挑戰性有夠刺激了!

又,有關地球生命起源有諸多學說(假設),其中有一派,說我們地球早年的海洋,是一鍋如佛跳牆的「原始湯(Primeval Soup)」,溶解在海水裡面有很多沒有生命的各種無機礦物質、化學元素等等,或許受到天候影響,如打雷等等,煮來煮去,碰來碰去,終於形成了最初生命之前的有機先驅物質(Precursor),如胺基酸等等,再由這些有機的先驅物質,碰撞組合成了最原始的生命,因而揭開了地球的生命演化;科學家曾經在實驗室裡成功地模擬出類似的情況。

因此,回頭來說,埃迪卡拉的眾生物,有沒有可能就是這鍋原始湯佛跳牆的晚期產物?地球的生命起源與演化,氧氣和陽光,並非絕對必要的條件,光合作用也原始生命非絕對需要的;也就是說,地球從大約35億年以來開始生命大演化,在前面很漫長的一段時間內,進展甚慢,但是在原生代晚期歷經兩次地球最嚴重的冰雪地球催化,到了埃迪卡拉紀時候,無氧非光合作用的化合能作用(Chemosynthesis),提供了生命大躍進的原動力,從簡單的單細胞、雙細胞等微觀(Micro)生命(亦即隱生宙),演化成多細胞宏觀(Macro)生物(亦即顯生宙)?這當然也是諸多種可能之一。

圖十四 深海黑煙囪旁邊生機盎然的大管蟲,取自http://wsu-online.blogspot.com/2010/12/spring-break-project-giant-tube-worms.html

到目前的研究與瞭解這些地球上首次發現的埃迪卡拉紀實體化石,一方面逐步地揭開了一些神祕的面紗,但是同時也提出了更多更基礎重要的問題,回答了一個問題,又衍生出更多的問題,不會讓我(人們)的好奇心無聊沒事幹,爬了一山,還有更高那些山等著呢!研究的樂趣,就在此!哈哈,人生不虛此行。

本文原發表於催眠恐龍[2011-06-25]

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