穿越亿年时光 青岛科技大学进化生态学团队如何为这朵花找到“知音”

2022-03-04 10:50 大众报业·大众日报阅读 (90331) 扫描到手机

原标题:穿越亿年时光,这朵花如何找到“知音”

王硕教授在实验室进行研究

约一亿年前的鼠李科Phylica属琥珀化石

图为生长在非洲南部的琥珀化石植物的现存后裔——鼠李科植物Phylica属

周末人物·中国新闻名专栏

□ 图文/本报记者 肖芳

21块晶莹绮丽的琥珀摆在面前,你会想到什么?是艺术价值、商业价值抑或药用价值?

青岛科技大学的进化生态学团队,用了8年时间,从中读出了这样一个沧海桑田的故事:

大约1亿年前,非洲大陆上有一块滨海区域,火山活跃,野火频发。在一片茂密的松柏林或南洋杉林下,密集生长着一种低矮灌木。树脂不断滴落,将树下植物的幼芽、花朵、落叶、果实、花粉包裹起来,然后在风吹、雨水等外力作用下渐渐深埋地下,历经地质沉积作用终成琥珀化石。在后来的漫长岁月里,这些琥珀随着大陆板块的漂移,最终到达了缅甸北部。而这些植物的后裔,却一直在非洲最南端繁衍生息、直至今日,并被分类学家命名为鼠李科Phylica属(拉丁文,音“菲利卡”,中文石南茶)。

这不是凭空想象。非洲、缅甸、滨海、野火、花朵、后裔、漂移……故事里每一个关键词的背后,都有科学证据的支撑。2月22日,国际顶级学术期刊《自然-植物》(Nature Plants)拿出一般文章约两倍的篇幅,以封面论文的形式,以颇具诗意的《盛放于远古灾烬之中》(From the ashes of ancient disaster)为题,重磅发表青岛科技大学海洋科学与生物工程学院王硕教授团队的研究成果。该研究从1亿年前的缅甸琥珀中,发现了迄今为止地球上最古老的完整花朵,并证明其现存后裔为一种生存于南非的适火性鼠李科植物。

“学术界通常认为中生代的植物,除了少数蕨类和裸子植物,被子植物(开花植物)都已经在地球上灭绝了。但我们却发现了这朵盛开于中生代白垩纪的花,并证明它现在仍然在这个世界上绽放着。这在国际上还是首次。”王硕说。

这朵花,来自恐龙繁盛的白垩纪,穿越1亿年时光,如今终遇“知音”。这是怎样一种奇妙的缘分?

打开远古之门的“钥匙”

故事要从人们所熟知的一种宝石——琥珀讲起。

走进青岛科技大学进化生态学实验室,首先映入眼帘的是一幅布满整面墙的世界地图。它由形形色色、大小不一的琥珀拼组而成,在灯光映射下散发出金色或棕色的莹润色泽。

王硕和她的丈夫施超,是该实验室的带头人。王硕告诉记者,该实验室琥珀标本储藏量世界领先,达到3.47万块以上,为大英博物馆常展量的32倍。其中,植物琥珀化石1.26万余块,昆虫琥珀化石2.18万余块,其他类型琥珀化石3200多块。

这些被收藏的琥珀中,目前已证明包含有1亿年前的白垩纪中期约890多个植物化石新种属、至少670个昆虫化石新种属。随着研究的不断深入,还会有新物种陆续被发现。

琥珀的科学研究价值,来自它的“内含物”。作为一种有机宝石,琥珀是由远古植物(通常是松柏或杉树)所分泌的树脂埋藏于地下,经历长时间复杂的理化变化而形成。由于这些树脂具有流动和黏稠的特性,所以它很容易包裹进小型的生物体,形成具有内含物的琥珀。

在王硕看来,这些具有内含物的琥珀,就是一种天然的“时空胶囊”,很好地留存了远古生物的原本形态。琥珀中内含的生物体,往往保存了其生前的三维立体结构,具有较为完整的形态,有时甚至保存了完好的软组织和细胞结构。这些琥珀,是古生物研究中极为珍贵的材料。

当今,世界上出产琥珀的地方很多,亚洲的中国抚顺、缅甸胡康河谷,美洲的墨西哥湾、多米尼加,欧洲的波罗的海沿岸等地区,都是有名的琥珀产地。事实上,地球上除南极大陆之外的各大板块,均有琥珀产出。

不同地区的琥珀,形成的年代、表象特征、理化性质以及内含物种类都不尽相同,性质也就有所差别。有的地方出产的琥珀,如果保存不当,极易发生表面风化、透明度降低、出现龟裂纹等问题,会对科学研究造成一定困扰。而出产自缅甸北部的琥珀,不但形成年代久远、内含物丰富,而且透明度较高、不易风化,可供屡次切割打磨,所以成为近年来古生物学领域,尤其是古今生物多样性演化领域的研究热点。

想要知道一块琥珀化石的年龄,科学家通常会通过测量其埋藏层锆石中的铅铀同位素比值来估算。通过对缅甸琥珀埋藏层锆石的测算,科学家们认定,缅甸琥珀形成于约9900万年至1亿1000万年前。那时,地球尚处于中生代白垩纪中期,大型恐龙还可以在地球上闲庭信步,新生的哺乳类动物尚处于演化的初级阶段。

这些缅甸琥珀里,大约有1%具有内含物,这1%中又有九成以上是昆虫,只有不到一成是植物。迄今为止,缅甸琥珀中发现的生物种类已经有数千种之多,大部分于近几十年发现,其中多数为节肢动物,亦有少量脊椎动物。

值得一提的是,在缅甸琥珀的相关研究工作中,中国学者的参与占比较高。而王硕、施超夫妇,则对数量最少也最难解析的植物琥珀产生了浓厚兴趣。

王硕毕业于昆明理工大学,施超毕业于中国科学院昆明植物研究所,目前均就职于青岛科技大学海洋科学与生物工程学院,主要从事生物进化研究。

多年来,两人热衷于收集各类琥珀。他们从进化生态学角度研究这些琥珀里“凝固的时光”“瞬间的永恒”,复原远古时代的地球生态系统。“研究恐龙时期的世界”,是两人对自己工作内容的通俗概括。

王硕说,琥珀是打开远古之门的“钥匙”,切开琥珀原石的过程,就像开盲盒,不知道下一秒会有什么惊喜,又会与哪种生物结缘。

她举了个例子:有的琥珀里有一片树叶,树叶上有很多昆虫,通过对这些昆虫和叶片的类群进行鉴定,你就会知道,至少在1亿年前,昆虫对植物的专一性取食可能就已经建立了;观察树叶表面的保卫细胞和气孔,就可以看到气孔的数量,以及气孔打开闭合的情况,从而推断出它所生存环境的温度和二氧化碳浓度……

发现最古老的现存花朵

大约10年前,缅甸琥珀中一种多次出现的植物标本,引起了王硕、施超的关注。这种关注,起源于一个矛盾点:

当时,研究缅甸琥珀内含昆虫、脊椎动物的学者们一致认为,缅甸琥珀的形成环境应该是热带、亚热带雨林环境。按照这一结论推断,在这样雨水充沛、高温潮湿、阳光充足的环境里,生长的应是阔叶植物,叶子较为宽大,可以增加与外界气体交换的面积,从而更好地进行光合作用。

但是,出现在缅甸琥珀里的这种植物标本,却呈现出截然不同的特性:它的叶片细长且紧紧聚缩在一起,叶片表面具有密实的毛被,可以减少水分流失,呈现出鲜明的耐旱性;它的花和果实被叶片层层包裹,可以保护种子在野火中不会受到致命伤害,是耐火植物的典型特征;与这些植物标本被同时包裹在琥珀里的,还有大量疑似被火烧过的植物残骸,证明了当时的环境里火灾频繁发生……

植被有对环境和生态响应最敏捷的指标,在东南亚这片温热湿润的雨林环境中,怎么会生长出这样一种与周围环境格格不入、特立独行的植物?

不解之处就是研究的最好切入点。王硕、施超立即开始对这种植物琥珀展开了研究。没想到,这一做就是8年。

研究团队先是通过显微CT重建、荧光成像等技术手段,将21块琥珀中的24个标本放大了上千倍进行观察。他们无损地获得了这种植物茎、叶、花(含子房)、果实(含种子)和花粉的表面细节和内部三维结构图,完整复原了该植物从幼年到成熟的生长发育全过程。

这是迄今为止国际上最完整的植物化石研究。“中生代的植物化石非常稀少,此前学术论文中所报道过的研究标本,往往只是一株植物的部分器官,而我们团队的研究,完整地复原了这种植物的全生命周期。”王硕说。

“毫无疑问,这是一种生长在白垩纪的被子植物,因为它有花。”施超介绍。在植物分类学中,种子植物又分为裸子植物和被子植物,裸子植物胚珠裸露,没有果实,只有种子;而被子植物有真正的花,胚珠包藏在子房内,受精之后胚珠发育成种子,子房发育成果实。

此前,学术界通常认为,中生代的植物,除了蕨类和少数裸子植物,较为高等的被子植物都已经在地球上灭绝了。

那么,问题来了:研究团队从琥珀中新发现的、曾出现在1亿年前的这种被子植物,是也已经灭绝了,还是仍然存活在地球上?具有耐旱、耐火特性的它,又为何会出现在温热潮湿的东南亚地区?

带着这些问题,在接下来几年时间里,研究团队与中国科学院南京地质古生物研究所、中国科学院昆明植物研究所、辽宁抚顺琥珀研究所、中国科学院植物研究所、英国开放大学、布里斯托大学、美国堪萨斯大学等相关机构合作,跑遍了各地植物标本馆。他们在排除了不同植物类群间趋同进化的可能性后,将琥珀中的植物标本与可能的现生植物类群形态、结构逐一进行对照分析。

历经持续数年、上万次的比对失败后,研究团队终于在中国科学院植物研究所(北京)的标本馆里,发现了一件来自非洲南部的鼠李科Phylica属的植物标本。这种植物具有毛绒状的花头,因此被形象地称为“毛笔花”,其外形看起来与缅甸琥珀中的植物标本十分相似。

于是,研究团队立即委托合作方南非生物多样性研究所,在南非开普植物保护区实地采集了几株现存“菲利卡”,邮寄到中国。

收到“菲利卡”后,研究团队立即展开了比对分析。结果让人振奋:除了表面毛被的具体形态稍有差异,从茎、叶、花(含子房)、果实(含种子)到花粉,现存“菲利卡”的解剖结构与琥珀植物标本的三维扫描结构,形成了几近完美的一一对应关系。这就意味着,经历了约1亿年的沧海桑田,“菲利卡”的现在形态竟与亿年前的“祖先”基本一模一样。

“在南非开普植物保护区里,野火在硬叶灌木和多浆植物对干旱炎热环境的适应演化中扮演着重要角色,当地现存很多植物都具有火灾适应性,这与琥珀植物标本所呈现出的特性也是一致的。”王硕说。

“菲利卡”,这种生长在南非开普植物保护区和马达加斯加岛的濒危野花,由此成为人类迄今发现最古老的现存植物,也是罕见的开花植物“活化石”。

从非洲漂移到东南亚

随着研究团队对缅甸琥珀的更深入研究,“菲利卡”祖先在白垩纪时期的生存环境被逐渐还原:

琥珀中发现了菊石、虾、螃蟹等海洋生物,琥珀表面发现了海百合、牡蛎、珊瑚等海洋生物的生活遗迹,说明形成琥珀的树脂滴落之处,是一片靠海的区域;琥珀中经常出现火山灰,以及植物被火烧后留下的残渣和灰烬,表明当时周边地区火山活跃,丛林野火频发……

“琥珀保存了1亿年前空气、水、土壤的成分,我们通过研究可以逐步复原1亿年前的地球生态系统。”施超说。

现在,还剩最后一个问题需要解答:“菲利卡”如今都生活在非洲大陆最南部,为何它们的“祖先”却到了缅甸北部?

板块漂移学说,提供了很好的“解题思路”。

众所周知,如今的地球陆地板块分为七大板块。可根据地质学家的研究,大约在3亿年前,整个地球表面只有一块超级大陆——盘古大陆。到了约2.5亿年前,盘古大陆开始分裂,形成了北方的劳亚古陆和南方的冈瓦纳古陆。后来,这两块古陆又继续分裂、漂移。到了新生代时期,地球上的大陆最终形成了现在的地理格局。其中,冈瓦纳古陆分裂成了如今的非洲板块、印度板块、南极洲板块等。

研究团队推测,内含“菲利卡”标本的琥珀,在印度板块与冈瓦纳古陆尚未完全分离前即已形成。随着冈瓦纳古陆的解体和印度板块的北移,被树脂包裹的“菲利卡”的祖先便漂移到缅甸北部,而它们的后裔却一直在南非生生不息。

“这些珍贵的琥珀标本,不仅可以作为进化生态学研究的‘硬证据’,帮助我们推测早期开花植物的演化模式,还可以为板块漂移学说提供重要化石证据。”王硕认为。