几毫米化石如何留存5亿年？科学家分析3.5万枚样本揭示多重机制

小壳化石在生物演化史上有着极其重要的地位，被誉为后生动物演化历程中的“第一缕曙光”。近期，中国科学家发表论文，揭示了小壳化石的保存机制之谜，该研究挑战了传统理论框架，也重塑了早期生命研究的范式。

撰文 | 破灭的Sunny（古生物博士）

寒武纪大爆发（约5.41亿至5.18亿年前）是地球生命史上最剧烈的演化事件之一。在短短三千万年内，几乎所有现代动物门类的祖先形态首次涌现，标志着动物身体构型的爆发式创新。

在这场轰轰烈烈的生物革命中，小壳化石（Small Shelly Fossils, SSFs）作为寒武纪生命大爆发的“第一幕”，为后续的生物演化奠定了重要基础。这些微小且看似平凡的化石，是探索早期动物矿化骨骼起源、后生动物身体构型演化以及生物与环境协同演化的关键载体。

近期，西北大学张志飞团队近期发表于《地学前沿（英文版）》的研究成果，通过揭示小壳化石的保存机制之谜，不仅挑战了传统理论框架，更重塑了早期生命研究的范式（参考文献[1]）。

寒武纪大爆发艺术复原图丨图片来源：wikipedia

小壳化石：动物硬体演化的标志

对大众而言，“小壳化石”或许是个相对陌生的名词，但在生物演化史上，小壳动物却占据着极其重要的地位，被誉为后生动物演化历程中的“第一缕曙光”。

顾名思义，小壳化石指的是一类体型微小、以壳体形式保存的微体化石。它并非特指某一类生物，而是一个涵盖性极广的集合，泛指埃迪卡拉纪（约6.35亿至5.41亿年前）晚期至寒武纪早期地层中发现的各种微型壳体化石。这个类别既包括了不少延续至今的类群，如腕足动物、腹足类、双壳类、海绵、珊瑚等，也囊括了许多早已灭绝的神秘物种，例如软舌螺（Hyoliths）、腔骨类（Coeloscleritophora）、织金壳类（Zhijinitids）等。此外，部分节肢动物的外壳碎片有时也被归入小壳化石范畴。

软舌螺化石及复原图丨图片来源：wikipedia

尽管这些化石形态各异、分类归属复杂，体长往往仅几毫米甚至不足一毫米，但其承载的意义却非同凡响——它们是地球历史上最早广泛出现的矿化骨骼的生物化石。小壳化石的诞生，标志着动物从软体向硬体结构的一次革命性转变。正是从这个时期开始，动物逐渐摆脱了埃迪卡拉纪“软趴趴”的状态，获得了坚硬的外壳与骨骼，为防御、支撑、运动乃至捕食开辟了新的可能性。

骨骼的出现不仅改变了动物的形态，也极大地推动了行为方式的演化。目前已知的最早捕食行为证据，正是从小壳化石的记录中发现的。这些微小却关键的化石，承载着关于生命如何走向复杂、如何演化出最初“攻防关系”的宝贵信息。

克劳德管（Cloudina hartmannae）是埃迪卡拉纪晚期最繁盛的小壳化石类群之一，它们的化石壳体记录了许多因捕食者攻击而产生的“钻孔”丨图片来源：参考文献[2]

小壳化石如何保存？磷酸盐化外的多元可能等待发掘

绝大多数小壳化石以磷酸盐化的形式保存于地层中。然而，其原始壳体的化学成分其实极为多样，涵盖方解石、文石、二氧化硅等多种矿物。因此，我们今天所见的大多数小壳化石，并非保留了原始矿物组成，而是经历了成岩过程中磷酸盐矿物交代置换后的结果。

在全球范围内，小壳化石的广泛磷酸盐化被视为寒武纪早期海洋磷元素富集的重要证据。进入寒武纪中期的苗岭世（约5.09亿至4.97亿年前）后，海洋沉积物中的磷酸盐显著减少，与此同时，小壳化石的数量和多样性也急剧下降。这一同步趋势被称为“磷酸盐化窗口的关闭”，常被引为环境条件深刻影响化石保存的典型案例。

然而，即便在寒武纪中晚期及更晚的地层中，研究者仍能发现部分小壳化石的存在，这表明对其保存机制的理解尚不完全。有学者提出，这种零星记录可能反映了一些偶发性小型“磷酸盐化窗口”在特定环境条件下短暂开启（参考文献[3]）。但这一假说仍难以解释众多保存状态迥异的化石案例。

这些例外现象提示我们：除了传统认知的磷酸盐化机制外，可能还存在多种不同的保存途径，同样能使小壳动物的遗骸长久留存于地质记录中。

七年处理近八吨岩石样本，成功破解小壳化石保存之谜

为破解寒武纪小壳化石的埋藏与保存之谜，西北大学张志飞教授团队将目光投向了我国华北地区南部和东南部的六个重要地层剖面，展开了长期系统的研究工作。这些剖面覆盖了从寒武纪第二世到苗岭世古丈期的地层序列，恰好跨越了小壳化石数量急剧减少的关键时期。

国际地质年代表（V2018/08）寒武系，单位为百万年（Ma）丨表格来源：国际地层年代委员会

与常见的大型化石不同，小壳化石体型极其微小，肉眼几乎难以辨识，也无法像挖掘恐龙或者哺乳动物化石那样直接从岩石中取出。研究人员需先将粉碎后的岩石样品用醋酸缓慢溶解，再通过层层过滤，筛选其中的微小化石。这一过程不仅耗时耗力，对技术和耐心要求也极高。

为尽可能全面地还原小壳化石面貌，团队耗费整整七年时间，处理了近八吨岩石样本，最终成功收集到35161枚小壳化石标本。这项艰辛的工作不仅绘制出目前华北地区最完整、最精细的小壳化石记录，更让科学家对这些微小生命的保存方式有了前所未有的新认识。

通过对小壳化石数量与保存状况的系统统计，研究人员首先发现了一个令人意外的现象：小壳化石并未在所谓的“磷酸盐化窗口期”之后彻底消失。在寒武系中统张夏组地层剖面出露的海绿石生物碎屑灰岩中，依然保存着数量可观、形态精美、种类丰富的小壳化石。这一发现打破了传统认知，表明即使在“窗口期”结束后，特定地层中仍可能出现异常丰富的化石富集带，暗示小壳化石的保存条件远比过去想象的复杂。

张夏组海绿石生物碎屑灰岩中保存的小壳化石（A. 小帽贝Micromitra； B. 乳孔贝类acrotretids；C. 乳孔贝类Neotreta；D.蒙古管Mongulotubulids）丨图片来源：参考文献[1]

不仅如此，研究团队还注意到，不同岩相中，小壳化石的保存效果差异显著。在所有采样岩石中，保存最佳的是前述的海绿石生物碎屑灰岩。这类岩石通常形成于相对平静、低能的海底环境，有利于微小壳体的完整沉积与保存。

相比之下，保存效果较差的有两类：一种是具有丘状交错层理的颗粒灰岩，另一种是含生物碎屑的竹叶状灰岩。这两种岩相均形成于水流较强、扰动频繁的高能海洋环境。在此类环境中，小壳动物遗骸易被冲刷、破碎，壳体表面的精细结构也常遭磨蚀，最终只有体型较小、结构更坚固的个体才可能完整保存下来。

这些差异表明，小壳化石的保存受到局部环境条件，尤其是海洋水动力强弱的决定性影响。局部的海洋化学环境也会影响最终保存状态，例如绿泥石化的还原环境可能促进局部磷酸盐化，有利于壳体精细结构的保存。但值得注意的是，虽然磷酸盐化能促进精细生物结构的保存，本研究表明，磷元素本身的丰度并非小壳化石能否保存的决定性因素。即便在相对缺乏磷沉积的环境下，小壳化石仍可能通过转化为白云石、海绿石、黏土矿物等多种形式得以保存。

更加多元化的保存机制暗示，之前对中寒武世小壳化石的衰退原因需要重新评估。如果在贫磷环境中也能保存极为丰富的小壳化石群，那么之前认为的磷元素限制，将不再是全球小壳化石记录在中寒武纪下降的主要因素。沉积微相及其相关的成岩作用可能扮演了更关键的角色。在生物快速演化的阶段，微相与成岩作用的干扰可能导致我们对当时生物快速辐射与灭绝阶段的误判。因此，后续研究需系统性地考察多种微相，才能更准确地还原寒武纪生命演化的真实图景。

西北大学团队的这项成果不仅深化了我们对小壳化石保存机制的理解，也再次证明，科学探索的意义从不以大小衡量。从微米级的壳体到宏观的地球演化史诗，每一个细节都是通往真相的线索。正如这些被岩层封存五亿年的“小壳”，仍在向我们诉说着生命最初的故事。

参考文献

[1] Y. Hu, T. P. Topper, L. C. Strotz et al., Preservation potential of Cambrian small shelly fossils in different microfacies, North China. Geoscience Frontiers, 16 (2025).

[2] S. Bengtson, Y. Zhao, Predatorial Borings in Late Precambrian Mineralized Exoskeletons. Science, 257 (1992).

[3] R.L. Freeman, B.F. Dattilo, C.E. Brett, An integrated stratinomic model for the genesis and concentration of “small shelly fossil”-style phosphatic microsteinkerns in not-so-exceptional conditions. Palaeogeography. Palaeoclimatology. Palaeoecology, 535 (2019).

出品：科普中国

监制：中国科普博览

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