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(chǎng)火山噴發(fā)，火山灰將所有植物封存起來(lái)。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(guó)際團(tuán)隊(duì)在內(nèi)蒙古烏海市烏達(dá)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(rèn)其為種子植物的姊妹類(lèi)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(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》。

身世謎團(tuán)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(lèi)植物，包括20余屬50余種，常見(jiàn)于煤系地層。分布于中國(guó)、歐洲和北美。曾被認(rèn)為是真蕨類(lèi)、楔葉類(lèi)、前裸子植物，或者一個(gè)獨(dú)立的分類(lèi)單元。

“這類(lèi)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。”王軍說(shuō)。

為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的、地球上曾經(jīng)有過(guò)的各種植物在分類(lèi)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(gè)謎。

研究的合作者，來(lái)自英國(guó)伯明翰大學(xué)的Jason Hilton博士說(shuō)，在被建立之初，瓢葉目被認(rèn)為是一個(gè)獨(dú)特的植物種群?？茖W(xué)家們把它們當(dāng)作一個(gè)“分類(lèi)學(xué)足球”在球場(chǎng)上踢來(lái)踢去，卻沒(méi)有一個(gè)人完成“射門(mén)歸類(lèi)”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(wú)法從分類(lèi)學(xué)上進(jìn)行歸類(lèi)。同時(shí)，各地的瓢葉目形態(tài)也有很大差異。

“長(zhǎng)期以來(lái)，瓢葉目之所以無(wú)法‘認(rèn)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(shuō)，這些關(guān)鍵特征的突破，有賴(lài)于外觀(guān)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(tuán)隊(duì)在內(nèi)蒙古烏海市發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(lèi)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(rèn)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(guò)王軍在現(xiàn)場(chǎng)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(dá)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(shù)干。

在復(fù)原圖中，森林的樹(shù)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(shù)的瓢葉目，它們高五六米，挺拔向上。

王軍團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了來(lái)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(dá)2.5噸的瓢葉目化石標(biāo)本完整地保留了這棵樹(shù)被火山灰埋藏前的樣子。

烏海擬齒葉的樹(shù)干頂端長(zhǎng)著一個(gè)玉米棒一樣的果穗，果穗看起來(lái)呈輻射狀對(duì)稱(chēng)，果穗的上下方同時(shí)長(zhǎng)有葉子。

王軍認(rèn)為，這項(xiàng)研究揭開(kāi)了“植物龐貝城”的面紗，這里是一個(gè)巨大的化石寶庫(kù)，蘊(yùn)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(gè)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(guó)內(nèi)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)儀器對(duì)烏海擬齒葉進(jìn)行了解剖觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)它有蕨類(lèi)植物的孢子繁殖方式，同時(shí)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(rèn)它是種子植物的姊妹類(lèi)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(duì)稱(chēng)的維管束。更讓人驚奇的是，它的果穗也是兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的維管束。這是果穗是從葉子進(jìn)化過(guò)來(lái)的直接證據(jù)。而解剖這棵樹(shù)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(shù)的分類(lèi)特征的最大一項(xiàng)突破。”王軍解釋?zhuān)@些特征匯總起來(lái)就是典型的前裸子植物。

“這類(lèi)植物最早見(jiàn)于泥盆紀(jì)，并由此演化出了種子植物。”王軍表示，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(shí)間范圍延長(zhǎng)了約6000萬(wàn)年。

前裸子植物代表了植物界在進(jìn)化過(guò)程當(dāng)中，孢子植物進(jìn)化到種子植物過(guò)渡的一種類(lèi)群。此前認(rèn)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(rèn)為，其存在時(shí)間應(yīng)該是中泥盆世—石炭—二疊紀(jì)末。

這項(xiàng)研究表明，在種子植物分化出來(lái)(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(dú)立發(fā)展出似球果繁殖器官，并沒(méi)有像先前認(rèn)為的那樣迅速滅絕。

盡管瓢葉目植物繁殖能力強(qiáng)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(lài)以生存的環(huán)境消失，該目也隨之滅絕。

本次瓢葉目分類(lèi)位置的確定，也代表了中國(guó)學(xué)者對(duì)于古植物分類(lèi)學(xué)的重大貢獻(xiàn)。在此之前，晚古生代共建立了40余目的植物類(lèi)群，除了瓢葉目和大羽羊齒目，其他均由國(guó)外研究人員完成。(記者 張 曄)