約3億年前,靠近赤道的一片熱帶雨林地區(qū)發(fā)生了一場火山噴發(fā),火山灰將所有植物封存起來。如今,當(dāng)年的大陸已經(jīng)漂移到內(nèi)蒙古烏海市。
近日,中科院南京地質(zhì)古生物研究所研究員王軍領(lǐng)導(dǎo)的一支國際團隊在內(nèi)蒙古烏海市烏達區(qū)的“植物龐貝城”中發(fā)現(xiàn)了大量保存完整的瓢葉目植物化石,并確認其為種子植物的姊妹類群——前裸子植物的一員。相關(guān)研究成果3月9日發(fā)表于美國《國家科學(xué)院院刊》。
身世謎團已延續(xù)百年
瓢葉目植物是生活在距今3.5億年—2.5億年前的一類植物,包括20余屬50余種,常見于煤系地層。分布于中國、歐洲和北美。曾被認為是真蕨類、楔葉類、前裸子植物,或者一個獨立的分類單元。
“這類古植物的化石標(biāo)本最早于1822年在捷克被發(fā)現(xiàn),而瓢葉目的確立是1931年!蓖踯娬f。
為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的、地球上曾經(jīng)有過的各種植物在分類系統(tǒng)里面找到相應(yīng)的位置,是古植物學(xué)家們最基本的學(xué)科目標(biāo)。但瓢葉目植物的身世一直是個謎。
研究的合作者,來自英國伯明翰大學(xué)的Jason Hilton博士說,在被建立之初,瓢葉目被認為是一個獨特的植物種群?茖W(xué)家們把它們當(dāng)作一個“分類學(xué)足球”在球場上踢來踢去,卻沒有一個人完成“射門歸類”這一目標(biāo)。
此前瓢葉目的化石標(biāo)本比較碎小,缺乏整體解剖結(jié)構(gòu),所以無法從分類學(xué)上進行歸類。同時,各地的瓢葉目形態(tài)也有很大差異。
“長期以來,瓢葉目之所以無法‘認祖歸宗’,關(guān)鍵在于缺乏植物的整體形態(tài)和內(nèi)部解剖信息。”王軍說,這些關(guān)鍵特征的突破,有賴于外觀形態(tài)和內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)均保存較好的化石標(biāo)本的發(fā)現(xiàn)。
2012年,王軍團隊在內(nèi)蒙古烏海市發(fā)現(xiàn)一個保存完好的“植物龐貝城”,其中有大量完整而精美的標(biāo)本,為探明這類植物的親緣關(guān)系及其重要的生命演化意義奠定了基礎(chǔ)。
發(fā)現(xiàn)瓢葉目家族新物種
王軍認為,正是前文所述的火山噴發(fā)創(chuàng)造了絕佳的埋藏條件。
通過王軍在現(xiàn)場拍攝的照片可以看到,一般化石中的植物都是躺著的,但烏達的化石是站著的。化石的間距非常密集,每隔三五米就有一棵直立的植物樹干。
在復(fù)原圖中,森林的樹木最高大的高30多米,最小的不及人的腳踝。在復(fù)原圖第一排便可看到像棕櫚樹的瓢葉目,它們高五六米,挺拔向上。
王軍團隊發(fā)現(xiàn)了來自“植物龐貝城”的瓢葉目家族新物種烏海擬齒葉。
在南京地質(zhì)古生物研究所標(biāo)本館里,這塊重達2.5噸的瓢葉目化石標(biāo)本完整地保留了這棵樹被火山灰埋藏前的樣子。
烏海擬齒葉的樹干頂端長著一個玉米棒一樣的果穗,果穗看起來呈輻射狀對稱,果穗的上下方同時長有葉子。
王軍認為,這項研究揭開了“植物龐貝城”的面紗,這里是一個巨大的化石寶庫,蘊藏著許多古植物世界的秘密。當(dāng)前烏海擬齒葉的整體重建只是其中之一,后續(xù)還將公布多個植物新種的整體重建。
新物種屬于前裸子植物
科研人員利用國內(nèi)最先進的實驗儀器對烏海擬齒葉進行了解剖觀察,發(fā)現(xiàn)它有蕨類植物的孢子繁殖方式,同時又具有種子植物的木材結(jié)構(gòu)。根據(jù)這些特征,可以確認它是種子植物的姊妹類群——前裸子植物的一員。
“解剖葉子,我們發(fā)現(xiàn)葉軸兩側(cè)有對稱的維管束。更讓人驚奇的是,它的果穗也是兩側(cè)對稱的維管束。這是果穗是從葉子進化過來的直接證據(jù)。而解剖這棵樹的主干,我們發(fā)現(xiàn)其有次生木質(zhì)部,這是讓我們定下這棵樹的分類特征的最大一項突破。”王軍解釋,這些特征匯總起來就是典型的前裸子植物。
“這類植物最早見于泥盆紀(jì),并由此演化出了種子植物!蓖踯姳硎,瓢葉目的地質(zhì)年代是從早石炭世到二疊紀(jì)末,這一發(fā)現(xiàn)將前裸子植物的地質(zhì)時間范圍延長了約6000萬年。
前裸子植物代表了植物界在進化過程當(dāng)中,孢子植物進化到種子植物過渡的一種類群。此前認為,前裸子植物是從中泥盆世3.9億年延續(xù)至晚石炭世3.1億年。此次研究認為,其存在時間應(yīng)該是中泥盆世—石炭—二疊紀(jì)末。
這項研究表明,在種子植物分化出來(3.6億年的晚泥盆世)之后的約1.1億年間,以瓢葉目為代表的前裸子植物持續(xù)多樣化,直至二疊紀(jì)末。并獨立發(fā)展出似球果繁殖器官,并沒有像先前認為的那樣迅速滅絕。
盡管瓢葉目植物繁殖能力強大,但在二疊紀(jì)末大滅絕期間,它們也是環(huán)境和氣候變化的受害者。這次大滅絕毀滅了全球的沼澤生態(tài)系統(tǒng),而伴隨著瓢葉目賴以生存的環(huán)境消失,該目也隨之滅絕。
本次瓢葉目分類位置的確定,也代表了中國學(xué)者對于古植物分類學(xué)的重大貢獻。在此之前,晚古生代共建立了40余目的植物類群,除了瓢葉目和大羽羊齒目,其他均由國外研究人員完成。
本報記者 張 曄