麻省理工学院的科学家发现了令人信服的化学证据，表明地球上最早的动物很可能是古代海洋海绵。在距今超过5.41亿年的岩石中，隐藏着与现代寻常海绵纲海绵所产生的化合物相匹配的罕见分子"指纹"。通过对岩石、活体海绵以及实验室制造的分子的测试，研究人员确认这些信号来自生命体，而非地质作用。这一发现表明，在大多数其他动物群体出现之前，海绵就已经在海洋中繁衍生息了。
研究团队在《美国国家科学院院刊》上报告称，他们发现了保存在超过5.41亿年前岩石中的“化学化石”。这些化学化石是生物分子曾经由生物体产生、随后被埋藏、改变并锁定在沉积物中数亿年的痕迹。
这些新鉴定出的分子属于一个被称为甾烷的类别，它们是甾醇（如胆固醇）的稳定残留物，构成了复杂生命体细胞膜的一部分。通过分析它们的结构，科学家将这些甾烷与普通海绵纲（demosponges）——海海绵的一个主要类群——联系起来。如今，普通海绵纲以多种形状、大小和颜色出现，作为软体滤食性生物生活在世界各地的海洋中。它们古老的亲戚很可能类似，也是软体海洋生物。
“我们不知道这些生物当时的确切模样，但它们绝对生活在海洋中，它们曾是软体生物，我们推测它们没有硅质骨架，”麻省理工学院地球、大气与行星科学系（EAPS）名誉地质生物学教授罗杰·萨蒙斯（Roger Summons）表示。
这些海绵特有化学信号的存在，加强了普通海绵纲的祖先是最早进化的动物之一，在大多数其他主要动物群体出现之前就已存在的观点。
研究团队包括第一作者卢布娜·沙瓦尔（Lubna Shawar），她曾是麻省理工学院EAPS的克罗斯比博士后研究员，现为加州理工学院的研究科学家；以及萨蒙斯和同事：加州大学河滨分校的戈登·洛夫（Gordon Love）、康奈尔大学的本杰明·乌韦格斯（Benjamin Uveges）、休斯顿GeoMark Research公司的亚历克斯·赞伯格（Alex Zumberge）、瑞典乌普萨拉大学的帕科·卡德纳斯（Paco Cárdenas）和纽约州立大学环境科学与林业学院的何塞·路易斯·吉纳（José Luis Giner）。
重新审视2009年前寒武纪岩石中的发现
这项工作建立在研究团队于2009年首次发表的一项研究基础上。当时，他们分析了来自阿曼一处露头的岩石，检测到异常高浓度的源自30碳（C30）甾醇的甾烷。这些罕见的类固醇分子似乎起源于古代海海绵。
这些岩石可追溯到埃迪卡拉纪（Ediacaran Period），该时期大约从6.35亿年前持续到5.41亿年前，正好在复杂多细胞生命迅速多样化的寒武纪之前。早期的发现表明，海绵在寒武纪大爆发之前很久就已经存在，并且可能是地球上最早的动物之一。
并非所有人都同意。一些研究人员提出，C30甾烷可能由其他生物产生，甚至是通过非生物地质过程形成的。
这项新研究为海绵假说增添了分量。研究团队在相同的前寒武纪岩石中识别出了另一种独特的化学化石，该化石极有可能来自生物体，而非纯粹的化学过程。
稀有甾醇与早期动物生命的探索
与之前的研究一样，研究人员检查了从阿曼、印度西部和西伯利亚的钻探岩心和露头采集的埃迪卡拉纪时代岩石。他们寻找甾烷，这是在所有真核生物（植物、动物以及任何具有细胞核和膜结合细胞器的生物）中发现的甾醇的稳定版本。
“如果没有甾醇或类似的膜脂质，你就不是真核生物，”萨蒙斯说。
甾醇共享一个由四个相连碳环组成的核心结构。不同的生物体根据其携带的基因，通过添加碳侧链和其他化学基团来修饰该结构。在人类中，胆固醇含有27个碳原子，而植物甾醇通常含有29个。
“发现具有30个碳的甾醇是非常罕见的，”沙瓦尔说。
早期的研究已经鉴定出一种与普通海绵纲中常见的基因编码的特定酶相关的30碳甾醇。在新的分析中，研究团队意识到相同的基因也可能产生更罕见的31碳甾醇（C31）。当他们重新检查岩石样本时，他们在先前识别的C30形式旁边检测到了丰富的C31甾烷。
“这些特殊的甾烷一直都在那里，”沙瓦尔说。“需要提出正确的问题来寻找它们，并真正理解它们的意义和来源。”
实验室测试证实生物来源
为了确认来源，科学家研究了现存的普通海绵纲，发现有些物种会产生C31甾醇，即保存在岩石中的C31甾烷的生物前体。然后，他们在实验室中合成了八种不同的C31甾醇作为参考化合物。在将这些分子置于模拟数百万年埋藏和地质转变的条件后，他们将结果与古代样本进行了比较。
八种合成的甾醇中，只有两种转化为与岩石中发现的C31甾烷相匹配的化合物。其他六种产物的缺失表明，这些分子并非由环境中的随机化学反应产生。
来自岩石化学、现代海绵和实验室实验的证据共同支持了甾烷起源于生物体的结论。这些生物体极有可能是普通海绵纲的早期祖先，后者至今仍保留着产生类似化合物的能力。
“这是岩石中的物质、海绵中的物质以及你在化学实验室中可以制造的物质三者的结合，”萨蒙斯说。“你拥有三条相互支持、相互吻合的证据线，都指向这些海绵是地球上最早的动物之一。”
“在这项研究中，我们展示了如何验证生物标志物，证实一个信号确实来自生命，而非污染或非生物化学过程，”沙瓦尔补充道。
扩大对首批动物的探索
既然C30和C31甾醇似乎是古代海绵的可靠指标，研究人员计划检查世界其他地区的岩石。迄今为止，样本表明这些海绵生活在埃迪卡拉纪。借助更多材料，研究团队希望能更精确地确定一些最早动物首次出现的时间。
这项研究部分得到了麻省理工学院克罗斯比基金、杰出博士后研究员计划、西蒙斯基金会生命起源合作项目以及美国宇航局外生物学计划的支持。