作者:王军等 来源:《当代生物学》 发布时间:2019/12/17 13:30:33
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中国植物“庞贝”惊现“左撇子”

周卫明从内蒙古乌海市乌达煤田采集的缠绕化石标本。图A系第一块化石,图H系第二块化石。图片来源:《当代生物学》

两年前的11月,周卫明与合作者从最低气温零下20摄氏度的内蒙古乌达煤田,带回了一批植物化石标本。周卫明在中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称中科院南古所)工作,当时他并未意识到,这批标本中有两块巴掌大小的化石,是人类能找到的迄今最久远的缠绕植物化石——它们来自3亿年前。

这意味着,从那时起,植物生长已经具有缠绕特性。更重要的是,化石中的蕨类植物是个“左撇子”,依照左旋方向缠绕生长。

此前,有研究者曾在中国山东的“山旺植物群”中发现另一例距今1600万年的植物化石,这块化石中的植物也是个“左撇子”。二者遥相辉映,帮助研究者更好地理解远古植物的生长规律。

目前存活在地球上的缠绕植物超过九成向右螺旋生长。虽然远古植物化石标本偏好左旋的原因不明,“但我们必须指出来”。在查阅大量文献、仔细研究化石标本后,周卫明与中国、捷克、美国古生物学者将这一成果发表在《当代生物学》上。

植物版庞贝古城在中国

“了解远古森林中的树木在全球范围内都有重要意义。”来自美国斯坦福大学的地质科学家C. Kevin Boyce是周卫明的合作伙伴之一,他在接受《中国科学报》采访时说,千百万年前的植物根茎沉入地下、堆积,经过一系列生化和物化反应后,形成了今日所见的煤炭。

若能解开远古植物化石蕴藏的奥秘,无异于见证了沧海桑田的变换。但曾经的“沧海”在哪儿?

1999年,周卫明的导师、中科院南古所研究员王军见到了自己导师吴秀元从内蒙古乌达带回的一块植物化石标本。得知这块标本极其完整,王军“高兴坏了”,即刻与同事动身前往乌达。一直到2003年,王军在乌达不断发现完好的植物化石新标本,这些化石中的植物不同于以往“躺着”的形态,许多都处于直立状态,而且非常密集,每隔三五米就能发现一个。

发现的化石标本越来越多,加之该地存在厚厚的火山灰,王军等人想到,这些直立的植物很可能像庞贝古城一样,在火山喷发时被火山灰瞬间埋藏。王军在接受媒体采访时回忆,在乌达,他和同事先后做了1100多平方米的考察,最终确认在贺兰山西北角大约20平方公里的区域存在一个植物版庞贝古城。

这一研究在2012年正式公开,相关成果发表于美国《国家科学院院刊》。

“乌达煤田代表着一片被火山灰淹没的沼泽森林,这里的树木存活于大约3亿年前,而且其中一些很不寻常,它们可能有40米高,其生长方式和形态与我们如今看到的树木完全不同。大自然以一种鲜为人知的方式保存了一切。”Boyce表示。

左边画“龙”?缠绕方向颠覆认知

在乌达的植物庞贝城里,研究者发现,许多原始植物和人们想象中不一样。比如曾经在中生代繁盛发展、如今濒危的苏铁类植物,其繁殖器官与现今的铁树类似,但叶片不似铁树的叶片一般分开;如今见到的较矮小的蕨类植物,在远古时期其实是“高个儿”……

在周卫明等人的研究中,两块缠绕植物化石标本也颠覆了人们的认知——最早在3亿年前,地球上就已出现具有缠绕能力的植物。化石中的蕨类植物叶轴直径约1毫米,两侧还生长着辅助攀爬的“触手”。研究者还观察到,两块化石标本中的真蕨植物至少有5株左旋,于是认定该缠绕植物是固定左旋的。

周卫明告诉《中国科学报》,植物攀爬有着各式各样的策略,其中缠绕攀爬是常见模式之一。“现生植物大部分都是固定右旋的,如旋花科植物牵牛花。”还有一些植物既能左旋也能右旋,“比如何首乌”,而极少部分现生植物以固定左旋的模式生长。

在现有研究中,还未出现右旋缠绕植物化石的报道,加上先前在“山旺植物群”发现的植物化石,目前世界上仅存的两例缠绕植物化石全部为左旋缠绕。

不过,“为何地质历史中的两例缠绕植物化石都是左旋的?”周卫明表示,对于研究植物“手性”的科学家而言,这是一个暂时无法解答的问题,“也许还有更深层次的自然规律等着发现”。

另外一个颠覆性的发现是,以往人们认为缠绕植物以高大的树木为生,但在他们发掘的化石里,蕨类植物缠绕在另一个体型较小的植物上,而且这株植物依靠刺和吸盘攀爬,有点类似于现在的爬山虎和月季。“这揭示了早期森林生态系统的复杂性。”周卫明说。

煤田寻宝

采集植物化石的过程仿佛寻宝游戏:先用挖掘机等大型机械清理化石层上方的岩土层,66厘米厚的火山凝灰岩暴露在地表后,研究者会给样方打上1米乘1米的方格,再详细记录每个样方的植物保存状况并测量大小。

如果不是周卫明“想多了”,人们如今看到的标本可能还和其他化石躺在一起。

从乌达煤田回到南京,周卫明开始查阅文献。他发现,以往研究中对植物缠绕习性的判断都是推测而来。有研究者直接在文章中指出,在此之前,地质历史上确切的缠绕植物化石仅有山东中新世“山旺植物群”发现的一例。

意识到问题的重要性后,周卫明找到了两块化石标本中的一块。先用数码照相机进行宏观照相,再用体式显微镜观察化石局部——植物上细微的钩、鳞毛和刺等细节,有助于更准确地鉴定物种类别。

周卫明表示,为了分清缠绕植物和宿主植物的类别,他们不得不将化石切成三部分,从而得到了植物的解剖结构。“依据解剖特征,我们得以了解这个缠绕植物是真蕨植物,而宿主植物是种子蕨植物。”

“植物化石能保存其生活时的状态很难,保存三维立体结构更难,而‘植物庞贝’是研究者的化石宝库,拥有世界上独一无二的保存条件。”周卫明说。(来源:中国科学报 任芳言)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.cub.2019.10.005

 
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