2017年有一則新聞頗受關(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)時代。寒武紀(jì)這個時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，科學(xué)界對地球歷史和生命進(jìn)化史的認(rèn)識還相當(dāng)貧乏，于是，地質(zhì)歷史被分為二個階段：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)是一個歷史的過程，科學(xué)認(rèn)識就是在一次次考察和研究中不斷提升?？茖W(xué)界目前業(yè)已認(rèn)識到，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，還是真實地反映了大爆發(fā)的演化實質(zhì)?甚至大爆發(fā)究竟是大輻射還是意味著起源，其認(rèn)識有一個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)時期海生無脊椎動物的化石，顛覆了之前“寒武紀(jì)乃是三葉蟲一統(tǒng)天下”的認(rèn)識，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“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地反映了過去地質(zhì)歷史所發(fā)生的變化，后生動物并不存有一個漫長的前寒武紀(jì)演化過程，寒武紀(jì)動物開始了爆發(fā)式的演化(Eruptive Evolution)是真實的歷史反映，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)過渡時期遺跡化石顯著變化的研究，強調(diào)了寒武紀(jì)爆發(fā)式演化(Explosive Evolution)的真實性，這不僅是對克勞德的寒武紀(jì)動物爆發(fā)性演化假說的進(jìn)一步支持，也使得寒武紀(jì)動物爆發(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)生動物祖先分子在很短的時間里涌現(xiàn)了出來，其中不僅有大量的海綿動物、刺胞動物、腕足動物、軟體動物和節(jié)肢動物等基礎(chǔ)動物和原口動物化石，更有棘皮動物、半索動物和脊索動物這些后口動物化石，這其中很多是鮮為人知的珍稀動物及形形色色的難以歸入已知動物門類的化石。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 澄江動物群化石

前寒武紀(jì)生物個體大多微小，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棲固著生活，因而是一個安詳和平的生物世界。而寒武紀(jì)生物個體大，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)生物圈是一個充滿生機和動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