寒武纪大爆发：另一个Big Bang
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在18世纪初期，早期的地质学家在研究地球的地质纪元时，他们很快就能撰写出来了一部粗略的地质年代表。然而他们的后继者们则需要等到大概一个多世纪后的放射性同位素标记法测年的出现,才能准确地测定那些地质学家先驱们发现的石头和岩层究竟有多久的历史。19世纪的地质学家们已经可以这些岩层的具体年龄。
早期的地质学家所编撰的地质年表是根据岩层中不断演变和变化的物种的化石来确定地层年代的。那些化石多数是动物，并且多数是海洋生的，大多具有具有坚硬的外壳，这使得它们的化石得以轻易地保留下来。这种确定年代的方法效果很好，但仅限于在一定范围以内。在他们所称之为寒武纪（Cambrian）的岩层下面，化石突然消失得无影无踪。数以亿万年的不为人知的没有生命的时期一直延伸到地球历史的过去。看起来像是某种神圣的力量在地球长期的不被人们所了解的荒芜的时期之后，一夜之间，一下子创造出了地球上的种种生物。
这段之前的漫长荒芜时期，持续了整整40亿年，占据了这个星球90%的历史时间。尽管后来在20世纪后叶的一些发现表明了这段时期地球上也并不是曾经所想像的那样荒芜，一无所有，没有生命。但是寒武纪的开始标着这一段生物繁荣时期的开始，以至于“寒武纪大爆发（Cambrian Explosion）”在后来被常常用于称呼这段大约持续2000万年的时期－地球生物在这里完成了从单一的简单生命到复杂化和多样化的剧烈转变。
（译者注：这里原文这句话是这样写的（注意这是一句话），写得相当有水平，笔者已经尽力地翻译了。）
But the Cambrian’s beginning marked such a radical shift in the planet’s biology that the term “Cambrian explosion” is often used to describe it—for, in the course of perhaps 20m years, the world’s fauna diversified from simple beginnings into something resembling its modern, complex variety.
（接上文）环节动物，节肢动物，腕足动物，棘皮动物，软体动物以及脊椎动物早期的软骨类的祖先一一紧跟那之后首次亮相。虽然当时仍然还没有生活在陆地上的动物，但是当时的海洋却是一下子就充溢着各种不同种类的动物。人们现在仍然没弄清楚的是为什么它们都一下子突然出现。
猜豆子游戏
一个人们解不开的谜题是：为什么需要如此长的时间才能引爆寒武纪大爆发。在维多利亚时代（译者注：1937年至1901年）发现的不知名的化石显示至少在35亿年前细菌生命就已经出现了。岩石中的化学踪迹显示至少在38亿年之前生物化学反应已经在进行了。大约在20亿年以前，细菌家族中首次出现了比之前更为复杂的个体（虽然仍为单细胞生物）－真核生物（Eukaryotes）。紧接着大概在7.6亿年以前，一些单一的真核生物互相连结组成海绵状的细小的生物。虽然其结构仍然很简单，但这就是最早的动物 。
更复杂生命出现的标志，是在在中国陡山沱组（Doushantuo Formation）发现的大约6.32亿年前的化石中显现。这个时期恰好处于埃迪卡拉纪（Ediacaran）的开端（见图表）。这些出土的早期化石被古生物学家当做为早期的卵或者早期胚胎的雏形。由于在陡山沱组发现的化石中不包含成年的动物，因此这些胚胎究竟能发育成为什么样子的生物我们无从知晓。但是这些能有一米宽的生物－也不像是海星，海胆或者图中这种不知名的虫子－被称作为伊迪卡拉动物群（“Ediacaran Fauna”）－产生并且在大约5.75亿年前又彻底消失了。它们当中的任意一种都没有外壳，这也使得它们的化石不易被保留下来，同时这也是早期化石寻找者很难找到它们的原因。
然后，在突然之间，动物进化出了“铠甲”。这些被称作为小壳动物群的动物，标志着在5.42亿年前的整个寒武纪（Cambrian）的开始。值得注意的是，这些动物化石主要是一些脱节下来的一小块或者一小片，这些小块或者小片来自于不同种的动物，同时也有着各不相同的成分。这就表明这些动物的出现是一种平行进化的结果而非单一进化的结果；尽管是后者而不是前者赐予了这些早期动物的后代子孙们占据了整个星球的能力。
哪里有这些小壳动物群，其它的各类生物就会相继后来在这些地方出现。棘皮动物（现在以海星和海胆为代表）（译者注：棘皮动物因表皮一般具棘而得名）其后在大约5.4亿年前出现。腕足动物在大约5.3亿年前出现。寒武纪（Cambrian）最具代表性的生物化石－三叶虫（Trilobites）－在5.21亿年前出现。在地质学意义上的一眨眼之间，寒武纪爆发发生了。
这一次，同样，事情并不是想像得那么简单。不同种类的三叶虫化石表明了早在那之前，三叶虫已经进化了数百万年的时间，只是在一瞬间，各类三叶虫都不约而同地进化出了“铠甲”。同时一些人认定一种埃迪卡拉时期动物的叫做Arkarua的动物的化石其实是一种棘皮动物，只不过当时还没有进化出棘皮动物具有标志性的外骨骼而已。而且，从那些化石保存比较好的岩层中－例如加拿大西部的布尔吉斯页岩中出土的化石表明，那次爆发不仅仅只与动物进化出硬的身体部位有关，软体生物们也开始变得多样化。
一种对寒武纪大爆发发生的原因的解释是地球物理环境的改变。例如海洋中氧气含量的升高使得那些稍大型动物的呼吸需求得以满足。或者是海水中钙元素含量的增大使得动物有足够的材料来组建它们的外壳－多数动物的外壳都是由碳酸钙或者磷酸钙或者两者组成的。
然而直接支撑上述这些可能性的证据都是很匮乏的，但是另一种与之有联系的叫做“雪球地球”（Snowball Earth）的现象可能会给我们提供一些线索。这是一段漫长的断断续续的地球冰川时期。现在我们正式地称地球这个时期为“成冰纪”（Cryogenian），在这个时期内的一些时间里，地球上的冰川可能一直延伸到赤道附近。当这些冰川发生融化以后，一些岩石就一下子被暴露在空气中接受雨淋日晒，大量的矿物质就在这个过程中被冲入海洋中。这就造成了海洋钙含量的升高（岩石里面含有大量的钙元素）或者海洋氧气含量的升高（由于在这个过程中将大量的营养物质冲到海洋中，这些营养物质使那些具有光合作用的海藻大规模地生长）或者兼使得两种效应都得以发生。
然而不幸的是，“成冰纪”的大规模的冰川早在6.35亿年以前就宣告消失终结，那些大冰川可能在埃迪卡拉纪动物的进化上起到了一定作用，但是拿它来解释寒武纪的爆发还是有些过于牵强。
一些其它的解释开始特别着眼于生物学。他们认为那些动物在寒武纪的早期的时候突破了某种“进化门槛”（Evolutionary Threshold）。它们的在这之前的，逐步向复杂演化的历史也使得这种说法有一定的合理性。海绵仅仅是一些单一细胞的成堆集合但是海星和海胆则属于一种叫做“双胚层动物”（Diploblasts）的类别－这类生物是有明显的组织和结构的。双胚层生物是由那些特定的具有两层细胞胚层的早期胚胎生物发展而来的，这两层胚层分别叫做内胚层（Endoderm）和外胚层（Ectoderm）。双胚层生物的成年个体具有特定的组织（例如神经组织）并且其身体通常是径向对称（Radially Symmetrical）的。最为复杂的动物是叫做“三胚层动物”（Triploblasts）的生物。它们的胚胎有第三层胚层－中胚层（Mesoderm）－处于外胚层和内胚层之间。它们要比双胚层动物具有更多种类以及更复杂的组织。同时它们有独立的器官。除此以外，还有一点不同之处是它们是双侧对称（Bilaterally Symmetrical）的－至少在它们还是幼体的时候是这样。这些三胚层动物成为了寒武纪大爆发的主力军。
双侧对称之所以被作为一种非常先进的特性用来解释寒武纪大爆发是因为双侧对称首次使得动物拥有了头以及尾。这就意味着它们可以做到有意地朝某一个特定方向移动，而这，是径向对称动物所很难做到的。当这一点形成以后，那些感官器官以及与其连接的神经组织随着进化就开始倾向于集中到头部的地方－显然它们在那里能发挥最大的作用。而这一过程，就叫做“头部形成”（Cephalisation）－促使双侧对称动物进化出大脑－以处理以及整合那些感官器官所传导过来的信号。同时双侧对称动物还具有线形的内脏－它们有一个嘴巴和一个肛门。而这样的机制要比那些径向对称动物所使用的将不可消化的食物再从嘴里排出来的方法要高效得多。
从这个方面来看，双侧对称的出现正如翅膀的出现一样是一个巨大的飞越。这为当时的动物提供了无数的可能。其中一种便是它们可以实现主动涉猎－这一依赖于特定方向移动能力以及受大脑控制的神经系统的协调动作的行为。这同样也为那么多的动物突然同时进化出了“盔甲”提供了一种解释－它们要为了避免被主动涉猎。双侧对称的出现，单独这一点，很可能就触发了寒武纪的大爆发－这并非是基于单纯的理论分析－而是由间接的事实所证实的：一些出土的埃迪卡拉纪（Ediacaran）的化石（比如图中的这个），是双侧对称的。
过渡的优势
然而还有另一种说法，认为寒武纪的大爆发并不是它看起来的那样的是一个巨大的奥秘。最根本的奥秘则存在于埃迪卡拉纪（Ediacaran）。埃迪卡拉纪的动物是从无到有出现的，然而在寒武纪之前又莫名奇妙地消失了。
化石记录总是布满着这样的突然转变。这些突然转变现在被称作物种大灭绝”（Mass Extinctions）。其中最著名的就是在中生代（Mesozoic Era）末期恐龙的灭绝（以及同时期的很多爬行动物的灭绝）。在那之后不久，灭绝的这些物种被它们统治时期的一类无足轻重的动物所替代－哺乳动物。寒武纪（Cambrian）被赋予的特殊性均是来源于人们从19世纪一直到现在所认同的一种观点－即在前寒武纪（Precambrian）是没有动物的。但是，正如埃迪卡拉纪展示出的那样，这种观点并不是正确的。
任何一场物种大灭绝，通常都伴随有外部事件的作用（例如小行星撞击地球之于恐龙的作用），才使得很多个物种从这个星球上被清除掉。同时在这个过程中也需要数百万年的时间才能使那些灾难中幸存下来的“替代者”们完成演化。这些继任者们（例如中生代的哺乳动物）也许在先前时期的统治秩序下显得无足轻重。以埃迪卡拉纪的动物为例，鉴于它的年代非常非常久远以及其保留下来的可用作观察的化石异常的少，其很多的化石或许还没有被古生物学家所发现。Arkarua，这一在澳大利亚被发现的埃迪卡拉纪动物，也许就是那些如同在中生代的哺乳动物一样，在埃迪卡拉纪“静等时机”的一群神秘莫测的动物中的一种。
虽然我们并没有在跨越了埃迪卡拉纪（Ediacaran）和寒武纪（Cambrian）的岩层中，找到任何能证实可以造成物种大灭绝的外部事件的证据，但是对于很多次在这之后的物种大灭绝，我们也没有找到很明确的原因。如果在埃迪卡拉纪这样的物种大灭绝真的发生了，那么这样的场景也就能说得通了：即某种不知名的埃迪卡拉纪的三胚层动物，扮演了类似于恐龙时代的哺乳动物的角色，从没世无闻的一名无名小卒开始，在灾难过后被扫除了障碍的环境中崛起。它们在灾难的废墟中繁殖，壮大，分化并共同进化（通过捕食其它种群，形成共同进化），它们遵循着弱肉强食的游戏准则，早在那时，就预示着这样一个残忍，贪婪，无情的现代社会。
（译者注：此处原文是这样写的，笔者翻译已经尽力）
And, if such an extinction did happen, it is perfectly plausible that some unidentified Ediacaran triploblasts went on to play the role of the Mesozoic mammals by emerging from obscurity when the competition had been eliminated. In the chaotic aftermath of the extinction, they would have been able to multiply, diversify and drive each other’s evolution (by such means as hunting one another) in ways that foreshadowed those of the modern world, red in tooth and claw.
本文原载于《The Economist》2015年08月29日期Science brief栏目。
原文标题为What caused the Cambrian explosion? The other Big Bang
译者：ptbsare
译者记：
《经济学人》上的文章，尤其是科技部分的文章，是少数的能善于将复杂的运作机理或者科学技术描写得很容易理解的报道，不像一些杂志或者文章，仅仅擅长于摆出一堆专业名词和大而空的架子，在讲了一大通后，读者仍然对于所描述的物品或者原理不明所以，不知所云。由于身为一名工科人，见识了太多途有高级的外表而背后原理却异常简单的名称或者术语，这些个名称术语，用武汉的一句话讲叫做“闹眼子”，笔者对于这样的东西有一种本能的厌恶情绪，这也是喜欢经济学人这样文章的原因所在。 同时，这让我想起来之前的一件小事，在跟一位同学交流电力上的一些问题时，这位同学满嘴都是诸如“智能电网”，“电力自动化”，“联网”这样的词汇，摆着一大堆不知所云的概念，讲着要把所有的东西都“联网”，而当被问及把什么联网，以及为什么要联网时却哑口无言，一概不知。我想，这应该就是中国“口号式”教育的结果。曾经一位老教授告诫我们的一句话仍让我记忆犹新：“我希望你们能清楚地知道你们自己在说些什么。”我觉得这种现象也体现了中西方的思维方式有明显的区别，中国人注重于大的、总结性的东西，而西方的思维则更强调细节以及详细的因果逻辑关系。
经济学人的Science brief栏目是近几期新开的一个栏目，主要是探讨现今世界上我们仍无法知晓的几个问题，算是我们当今的科学认知的边界。此栏目应该不会长期存在，并且每一期都写得都很不错，因此笔者打算把这一整个系列都翻译下来。前面已经翻译了几期，不出意外的话应该会一直翻译下去，往后两期的预告：
- 下一期：Why does time pass?
- 下下期：What is consciousness?
延伸阅读：经济学人原文附视频：