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【中国科学报】杉木祖先“隐身”蒙古褐煤层

2017年9月1日 来源:中国科学报

   

   

   

  类似落叶堆的褐煤层

  在蒙古国褐煤层中发现的“周氏似纵”和其他木乃伊化的植物化石,为古植物研究翻开了新的篇章。

  记者 袁一雪 

  史恭乐从未想到过自己会在大洋彼岸美国耶鲁大学的实验室里研究从蒙古国采集的褐煤样品,发现大量的杉木祖先的化石“干尸”,并且这些化石最终以他的导师、中科院院士周志炎的姓氏命名。

  这一切还要从2013年开始说起。

  在被人忽视的褐煤中发现宝贝 

  2013年,已经在中科院南京地质古生物研究所留所工作的史恭乐,应邀到美国耶鲁大学进行博士后研究,课题是蒙古国早白垩世植物化石。

  “早白垩世(距今约1.4亿~ 1亿年)是被子植物演化非常关键的一个阶段。中生代是裸子植物的时代,白垩纪最早期被子植物开始出现并迅速分化扩散,取代裸子植物成为植物界的优势类群。很多现生植物的祖先都可以追溯到早白垩世。”现已是该所副研究员的史恭乐告诉《中国科学报》记者,“植物化石常发现于煤矿中。蒙古国有很多早白垩世露天煤矿,我们课题组在这些煤矿中采集了大量褐煤样品,我的工作就是在实验室中对这些样品进行浸解、筛选和鉴定。”

  要了解褐煤,首先要了解煤的形成。一般而言,煤就是远古植物被埋藏后,在隔绝空气的条件下,受到高温高压作用变质而形成。而褐煤则是变质程度最低的矿产煤。“褐煤中的远古植物还未完全成煤,在保存完好的情况下,它们更像是一个落叶堆。”史恭乐解释说。

  在庞大的“落叶堆”中,史恭乐经过大量的筛选,发现了一批距今约1.1亿年的植物化石。令他吃惊的是,这些化石中不仅有叶子,还有松柏植物的雌球果、雄球花以及一些灭绝植物类群的繁殖器官化石。这些化石完美地保存了当年的“模样”,被称为“木乃伊”化石。

  “传统的研究方法让古植物学家将目光集中在煤层顶板的沉积岩中,而忽视了褐煤层本身。”史恭乐说,“但褐煤层中的‘木乃伊’植物化石保存更精美,可以提供更多远古植物的信息。”

  实际上,有些距今几千万年的植物已经完全成煤。而这种历经1.1亿年还处在“落叶堆”阶段的植物,史恭乐认为可能和当时当地的环境、埋藏地层的压力等多方面条件因素有关。

  在1.1亿年前的早白垩世,位于东北亚腹地的蒙古地区不似现在寒冷干燥,反而是温暖、潮湿的,拥有大片沼泽地,生长着大量的成煤植物。温暖湿润的气候下,这些成煤植物生长迅速,产生了大量的落叶。在沼泽静水环境下,这些远古植物遗体被迅速掩埋,在短时间内隔绝了空气,所以得以保存下来。掩埋较浅的远古植物遗体由于缺乏高温高压条件,没有进一步变质成煤,而是形成了像木乃伊一样的化石,成为古植物学研究最理想的材料。

  将杉木谱系补充完全 

  相比较河流和湖泊环境中形成的植物化石,沼泽环境形成的化石更加密集。被史恭乐从早白垩世“落叶堆”中筛选出的周氏似纵标本就超过了一千块。“木乃伊化的植物化石能提供给我们更多的信息,了解当时这种植物的整体面貌和环境背景。”史恭乐介绍道。

  经过对比,他与同事们发现周氏似纵的球果,雄球花和营养枝叶直接相连,形态上与现生柏科的杉木非常类似。比如球果,1.1亿年前的周氏似纵和现在的杉木几乎没有区别;而叶片形态和现在的杉木也很相似,只是叶片上的气孔更密集,可能和当时二氧化碳浓度较高有关。“所以我们将这些化石归为柏科,它们是现生杉木的祖先。”

  “‘似纵’是化石植物的属名,和现生杉木类似的球果化石往往被定为似纵。而‘周氏’则来自我的博士导师周志炎院士。”史恭乐说。他在美国的合作导师克伦教授早年曾和周志炎在同一实验室并肩工作,两人互为好友。周志炎在裸子植物化石尤其是银杏化石研究领域有着里程碑式的贡献,所以克伦教授建议用他的姓氏命名这一化石。最终这些精美的化石被命名为“周氏似纵”。

  也正是因为化石植物保存完整,可以通过谱系分析的方法揭示周氏似纵和其他柏科植物的亲缘关系。通过形态学数据分析方法和分子骨架法,史恭乐和同事们在对包括柏科现生种和早期柏科化石种在内的22个类群进行了分支系统分析。结果显示,包括现生杉木和类似杉木的侏罗纪及白垩纪化石在内的类群是柏科最原始、最早分化的类群。这项研究无疑丰富了我们对柏科演化脉络的认识。

  杉木是我国南方的常见植物。但化石资料表明,杉木是和植物界的明星银杏和水杉一样的活化石。它的祖先可追溯到1.7亿年前的中侏罗世甚至更早。与银杏和水杉类似,现生的杉木仅生活在东亚南部,并且仅具有两个种,处于类群演化的衰退期。但在约1.1亿年前的早白垩世,杉木的祖先遍布北半球,形态和生态多样性都较高。杉木的祖先还是一种重要的成煤植物。我们发电用的褐煤,很多都是由它们所形成。

  寻找更多完整的植物化石 

  除了杉木的祖先周氏似纵,史恭乐和他的同事们还在蒙古国的褐煤中发现了很多已经灭绝的远古植物。其中包括属于种子蕨类盔籽植物的蒙古昂科马什果,以及和银杏密切相关的蒙古乌马托鳞片。这些灭绝植物不仅丰富了我们对于白垩纪植物多样性的认识,对揭示被子植物花的起源和重建种子植物系统发育都具有重要意义。

  在蒙古国褐煤层中发现的“周氏似纵”和其他木乃伊化的植物化石,为古植物研究翻开了新的篇章。现在,史恭乐和他的同事们将目光放在了我国的内蒙古。

  在接受记者采访的时候,史恭乐正在内蒙古进行野外发掘。“内蒙古也有很多早白垩世的露天褐煤矿,它们和蒙古国的褐煤形成于同一时期,同样保持有很多木乃伊化的植物化石。但在我国对褐煤中植物化石的研究几近空白,我们下一步的工作有可能会给大家带来更多的惊喜。”史恭乐介绍说。

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