内蒙古乌海的“植物庞贝城”中发现了大量保存完整的瓢叶目植物化石

2021-04-01 14:59:12
来源:科技日报

约3亿年前,靠近赤道的一片热带雨林地区发生了一场火山喷发,火山灰将所有植物封存起来。如今,当年的大陆已经漂移到内蒙古乌海市。

近日,中科院南京地质古生物研究所研究员王军领导的一支国际团队在内蒙古乌海市乌达区的“植物庞贝城”中发现了大量保存完整的瓢叶目植物化石,并确认其为种子植物的姊妹类群——前裸子植物的一员。相关研究成果3月9日发表于美国《国家科学院院刊》。

身世谜团已延续百年

瓢叶目植物是生活在距今3.5亿年—2.5亿年前的一类植物,包括20余属50余种,常见于煤系地层。分布于中国、欧洲和北美。曾被认为是真蕨类、楔叶类、前裸子植物,或者一个独立的分类单元。

“这类古植物的化石标本最早于1822年在捷克被发现,而瓢叶目的确立是1931年。”王军说。

为已经发现的、地球上曾经有过的各种植物在分类系统里面找到相应的位置,是古植物学家们最基本的学科目标。但瓢叶目植物的身世一直是个谜。

研究的合作者,来自英国伯明翰大学的Jason Hilton博士说,在被建立之初,瓢叶目被认为是一个独特的植物种群。科学家们把它们当作一个“分类学足球”在球场上踢来踢去,却没有一个人完成“射门归类”这一目标。

此前瓢叶目的化石标本比较碎小,缺乏整体解剖结构,所以无法从分类学上进行归类。同时,各地的瓢叶目形态也有很大差异。

“长期以来,瓢叶目之所以无法‘认祖归宗’,关键在于缺乏植物的整体形态和内部解剖信息。”王军说,这些关键特征的突破,有赖于外观形态和内部解剖结构均保存较好的化石标本的发现。

2012年,王军团队在内蒙古乌海市发现一个保存完好的“植物庞贝城”,其中有大量完整而精美的标本,为探明这类植物的亲缘关系及其重要的生命演化意义奠定了基础。

发现瓢叶目家族新物种

王军认为,正是前文所述的火山喷发创造了绝佳的埋藏条件。

通过王军在现场拍摄的照片可以看到,一般化石中的植物都是躺着的,但乌达的化石是站着的。化石的间距非常密集,每隔三五米就有一棵直立的植物树干。

在复原图中,森林的树木最高大的高30多米,最小的不及人的脚踝。在复原图第一排便可看到像棕榈树的瓢叶目,它们高五六米,挺拔向上。

王军团队发现了来自“植物庞贝城”的瓢叶目家族新物种乌海拟齿叶。

在南京地质古生物研究所标本馆里,这块重达2.5吨的瓢叶目化石标本完整地保留了这棵树被火山灰埋藏前的样子。

乌海拟齿叶的树干顶端长着一个玉米棒一样的果穗,果穗看起来呈辐射状对称,果穗的上下方同时长有叶子。

王军认为,这项研究揭开了“植物庞贝城”的面纱,这里是一个巨大的化石宝库,蕴藏着许多古植物世界的秘密。当前乌海拟齿叶的整体重建只是其中之一,后续还将公布多个植物新种的整体重建。

新物种属于前裸子植物

科研人员利用国内最先进的实验仪器对乌海拟齿叶进行了解剖观察,发现它有蕨类植物的孢子繁殖方式,同时又具有种子植物的木材结构。根据这些特征,可以确认它是种子植物的姊妹类群——前裸子植物的一员。

“解剖叶子,我们发现叶轴两侧有对称的维管束。更让人惊奇的是,它的果穗也是两侧对称的维管束。这是果穗是从叶子进化过来的直接证据。而解剖这棵树的主干,我们发现其有次生木质部,这是让我们定下这棵树的分类特征的最大一项突破。”王军解释,这些特征汇总起来就是典型的前裸子植物。

“这类植物最早见于泥盆纪,并由此演化出了种子植物。”王军表示,瓢叶目的地质年代是从早石炭世到二叠纪末,这一发现将前裸子植物的地质时间范围延长了约6000万年。

前裸子植物代表了植物界在进化过程当中,孢子植物进化到种子植物过渡的一种类群。此前认为,前裸子植物是从中泥盆世3.9亿年延续至晚石炭世3.1亿年。此次研究认为,其存在时间应该是中泥盆世—石炭—二叠纪末。

这项研究表明,在种子植物分化出来(3.6亿年的晚泥盆世)之后的约1.1亿年间,以瓢叶目为代表的前裸子植物持续多样化,直至二叠纪末。并独立发展出似球果繁殖器官,并没有像先前认为的那样迅速灭绝。

尽管瓢叶目植物繁殖能力强大,但在二叠纪末大灭绝期间,它们也是环境和气候变化的受害者。这次大灭绝毁灭了全球的沼泽生态系统,而伴随着瓢叶目赖以生存的环境消失,该目也随之灭绝。

本次瓢叶目分类位置的确定,也代表了中国学者对于古植物分类学的重大贡献。在此之前,晚古生代共建立了40余目的植物类群,除了瓢叶目和大羽羊齿目,其他均由国外研究人员完成。

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