2017年有一則新聞?lì)H受關(guān)注，就是“寒武紀(jì)芯片”，一款由中國科學(xué)院科研人員設(shè)計(jì)制作的芯片一舉達(dá)到了國際一流水平。中國從此有了自己的高端芯片，擺脫了長期以來受國際芯片打壓的困境，將迎來人工智能大爆發(fā)的時(shí)代。

圖1 安裝在板卡上的寒武紀(jì)1A人工智能處理器（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

那么，為什么要將芯片名冠以“寒武紀(jì)”，寒武紀(jì)究竟何以提上這樣的高度，被跨領(lǐng)域的同行捧為至高無上的標(biāo)志？

原來，發(fā)生在距今5.2億年前的寒武紀(jì)生命大爆發(fā)是地球生命史上里程碑式的演化事件，其規(guī)模和強(qiáng)度前所未有，與之前生命世界形成截然不同的反差，更是深刻影響了后來地球生命史的發(fā)展，開啟了通向現(xiàn)代生物多樣性的征程。寒武紀(jì)大爆發(fā)精彩的背景故事，所帶來的哲理思考和社會(huì)影響，對于理解地球與生命，生物多樣性和人類可持續(xù)發(fā)展都有重要啟示。

圖2 寒武紀(jì)最常見的節(jié)肢動(dòng)物——三葉蟲（圖片來自BBC）

“進(jìn)化論”vs.“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”

寒武紀(jì)一詞來自地質(zhì)年代的名稱，是一段距今5.41至4.88億年前的地質(zhì)時(shí)代。寒武紀(jì)這個(gè)時(shí)代由于處在地球生命進(jìn)化史上非常特殊和非常重要的階段，因而被賦予了特別的意義，廣受科學(xué)界的關(guān)注。

早在一百五十年前，生命進(jìn)化論的偉大創(chuàng)立者達(dá)爾文就已關(guān)注到了寒武紀(jì)出現(xiàn)三葉蟲等許多生物的現(xiàn)象，而之前的地質(zhì)時(shí)代沒有生物遺跡發(fā)現(xiàn)，寒武紀(jì)生物似乎是突然冒出來一樣。

達(dá)爾文在五年環(huán)球考察中建立起生物進(jìn)化的信念，并在后來的研究中系統(tǒng)地提出生命進(jìn)化論，發(fā)表了《物種起源》這一科學(xué)史詩般的巨作！達(dá)爾文認(rèn)為，所有生物都只有一個(gè)共同祖先，生物是從簡單到復(fù)雜，從單細(xì)胞到多細(xì)胞逐漸發(fā)展而來的；生物物種是可變的，而演變的機(jī)制就是“自然選擇”。

顯然，寒武紀(jì)生物大量出現(xiàn)是達(dá)爾文的進(jìn)化論所無法解釋的。他為此也深感迷惑，認(rèn)為這一現(xiàn)象是對其進(jìn)化論的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。但他也意識(shí)到這是由于化石記錄的不完整性所致，化石被地質(zhì)作用破壞了。

圖3 達(dá)爾文名著《物種起源》（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

那時(shí)，科學(xué)界對地球歷史和生命進(jìn)化史的認(rèn)識(shí)還相當(dāng)貧乏，于是，地質(zhì)歷史被分為二個(gè)階段：以寒武紀(jì)為界，之前為隱生宙，意味著沒有生命現(xiàn)象的時(shí)期，而寒武紀(jì)以來的為顯生宙，生命現(xiàn)象豐富多彩。

大爆發(fā)概念的逐漸流行

科學(xué)的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)歷史的過程，科學(xué)認(rèn)識(shí)就是在一次次考察和研究中不斷提升。科學(xué)界目前業(yè)已認(rèn)識(shí)到，寒武紀(jì)出現(xiàn)的生物大爆發(fā)現(xiàn)象并非是一件尋常事件，而是生命進(jìn)化史上具有劃時(shí)代的里程碑事件，科學(xué)界將此稱為“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”。

然而，即便寒武紀(jì)大爆發(fā)得到了科學(xué)界的廣泛認(rèn)同，但對于大爆發(fā)是化石保存不完備所造成的假象，還是真實(shí)地反映了大爆發(fā)的演化實(shí)質(zhì)?甚至大爆發(fā)究竟是大輻射還是意味著起源，其認(rèn)識(shí)有一個(gè)歷史的過程和跨界的糾結(jié)。

1909年7月，美國史密森自然博物館館長維爾考特(Walcott)在加拿大布爾吉斯山發(fā)現(xiàn)了布爾吉斯頁巖生物群，并陸續(xù)發(fā)掘出6萬多塊距今5.15億年寒武紀(jì)時(shí)期海生無脊椎動(dòng)物的化石，顛覆了之前“寒武紀(jì)乃是三葉蟲一統(tǒng)天下”的認(rèn)識(shí)，展現(xiàn)了寒武紀(jì)絢麗多彩的生命現(xiàn)象，進(jìn)一步放大了寒武紀(jì)生物與前寒武紀(jì)生物數(shù)量和種類上的巨大反差。為此，他提出了在寒武紀(jì)至前寒武紀(jì)之間應(yīng)存有一個(gè)“利帕期”，用其代表可能缺乏地層和化石記錄的階段。

圖4 布爾吉斯頁巖生物群復(fù)原圖

1946年，澳大利亞地質(zhì)學(xué)家斯帕林格(Sprigg)在澳大利亞埃迪卡拉山前寒武紀(jì)晚期（5.65億年前-5.42億年前）的砂巖中發(fā)現(xiàn)了一些大型多細(xì)胞生物留下來的印痕化石，其形態(tài)與現(xiàn)代水母、海鰓、蠕蟲和節(jié)肢動(dòng)物有些相像，但他們沒有口、***和消化道等器官的分化，這首次從化石上印證了前寒武紀(jì)存在著多細(xì)胞生物。然而，除了極少數(shù)類型外，埃迪卡拉生物群幾乎與現(xiàn)代動(dòng)物毫無相關(guān)。因此，埃迪卡拉生物群的發(fā)現(xiàn)并沒有消減科學(xué)家對于寒武紀(jì)生物大量涌現(xiàn)的困惑。

圖5 埃迪卡拉生物群復(fù)原圖（圖片來自www.eartharchives.org）

美國科學(xué)家克勞德(Cloud,1948)對漸變論觀點(diǎn)的解釋首先提出了挑戰(zhàn)，認(rèn)為古生物學(xué)家所觀察到的化石記錄真實(shí)地反映了過去地質(zhì)歷史所發(fā)生的變化，后生動(dòng)物并不存有一個(gè)漫長的前寒武紀(jì)演化過程，寒武紀(jì)動(dòng)物開始了爆發(fā)式的演化(Eruptive Evolution)是真實(shí)的歷史反映，這是“寒武紀(jì)大爆發(fā)”這一術(shù)語的雛形。

1956年，德國古生物學(xué)家塞拉赫依據(jù)前寒武紀(jì)—寒武紀(jì)過渡時(shí)期遺跡化石顯著變化的研究，強(qiáng)調(diào)了寒武紀(jì)爆發(fā)式演化(Explosive Evolution)的真實(shí)性，這不僅是對克勞德的寒武紀(jì)動(dòng)物爆發(fā)性演化假說的進(jìn)一步支持，也使得寒武紀(jì)動(dòng)物爆發(fā)式演化概念在古生物學(xué)領(lǐng)域逐步得以推廣，自此，寒武紀(jì)大爆發(fā)(Cambrian Explosion)概念也基本成型。

隨著上世紀(jì)七十年代以來，世界各地廣泛發(fā)現(xiàn)寒武紀(jì)之初的“小殼化石”，即包含各門類骨骼化石的統(tǒng)稱，尤其是1984年在我國云南昆明以東發(fā)現(xiàn)的澄江動(dòng)物群進(jìn)一步放大了寒武紀(jì)生物面貌與前寒武紀(jì)的巨大差異。

為此，英國科學(xué)家Brasier(1979)和美國科學(xué)家古爾德(1991)先后提出了CAMBRIAN RADIATION和EVOLUTION BIG BANG。從而使“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”的概念開始流行于科學(xué)界。

圖6 描述寒武紀(jì)生物大爆發(fā)的雜志

來自寒武紀(jì)大爆發(fā)的啟示

那么，寒武紀(jì)與前寒武紀(jì)的生物面貌究竟反差到何等程度，這樣的變化究竟又帶來了怎樣演化上的思考和哲理啟示呢？

澄江動(dòng)物群研究表明，距今約5.2億年前，一場地球生物進(jìn)化史上最為壯觀的“寒武紀(jì)生命大爆發(fā)”“驟然”上演，幾乎所有門類的現(xiàn)生動(dòng)物祖先分子在很短的時(shí)間里涌現(xiàn)了出來，其中不僅有大量的海綿動(dòng)物、刺胞動(dòng)物、腕足動(dòng)物、軟體動(dòng)物和節(jié)肢動(dòng)物等基礎(chǔ)動(dòng)物和原口動(dòng)物化石，更有棘皮動(dòng)物、半索動(dòng)物和脊索動(dòng)物這些后口動(dòng)物化石，這其中很多是鮮為人知的珍稀動(dòng)物及形形色色的難以歸入已知?jiǎng)游镩T類的化石。其復(fù)雜而多樣的生命形態(tài)與之前漫長演化過程中出現(xiàn)的原始生命體截然不同。

圖7 澄江動(dòng)物群化石

前寒武紀(jì)生物個(gè)體大多微小，結(jié)構(gòu)簡單，且種類少；形態(tài)以輻射對稱、單極和雙極為主；沒有骨骼，僅具二胚層；營養(yǎng)形式單一，主要是滲透性營養(yǎng)；生物主要在海底營表?xiàng)讨?，因而是一個(gè)安詳和平的生物世界。而寒武紀(jì)生物個(gè)體大，普遍宏體化，且種類顯著增加；形態(tài)以兩側(cè)對稱為主；具有真正的骨骼，生物間的捕食與被捕食引發(fā)了激烈的競爭關(guān)系；已發(fā)育三胚層體制，使生物各種系統(tǒng)發(fā)育完善，能夠很好地適應(yīng)各種海洋環(huán)境；生物營養(yǎng)方式顯得多樣化，出現(xiàn)濾食、食泥、捕食、食腐、食素和雜食，生物因此形成了多層次的復(fù)雜食物鏈；生物生活方式發(fā)生了極大分異，包括固著的、鉆埋的、爬行的、游泳的和漂浮的，呈現(xiàn)了多層次的海洋生態(tài)分布；生物界器官大創(chuàng)新，使得一大批諸如眼睛、觸手、葉足、口器、鰓弓乃至腦等新穎器官都涌現(xiàn)了出來。因此，寒武紀(jì)生物圈是一個(gè)充滿生機(jī)和動(dòng)感的立體三維的生活場景。

圖8 寒武紀(jì)海洋生物復(fù)原圖，圖片中部為奇蝦，體長可達(dá)2米