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新疆晚泥盆世地层中的硅化木化石构建出地球上最古老树木的生长理论模型

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热度6票 浏览18次 时间:2017年11月06日 09:27
   徐洪河在讲解化石

徐洪河在讲解化石

徐洪河在野外采集化石

徐洪河在野外采集化石

(中国化石网报道)据中国科学报(记者 沈春蕾 通讯员 陈孝政):远古时代的森林是什么样子?最早的树木跟现在的树木一样吗?世界上最古老的树木和森林又是何时出现的呢?

现代森林里有很多我们所熟悉的树木,但远古时代的森林是什么样子?最早的树木跟现在的树木一样吗?世界上最古老的树木和森林又是何时出现的呢?

经过5年多的发现与求证,中科院南京地质与古生物研究所研究员徐洪河领衔的一支中外科研团队,利用新疆塔城地区晚泥盆世(距今约3.7亿年)地层中最早的硅化木化石,构建出了地球上最古老树木的生长理论模型。10月24日,《美国科学院院报》(PNAS)在线发表了该团队的最新研究成果。

徐洪河告诉《中国科学报》记者:“我们开展了古植物学领域的理论性研究,对于早期陆生植物的演化、陆地生态系统的发展以及现代生物学的相关研究均具有重要的参照价值。”

证实最早森林的出现

1870年,在纽约州吉尔博阿市的一处采石场,工人在采石爆破时发现了一块直径约一米的树干化石,这是最早树木化石的首次亮相。因为它仅是一段树桩基部的化石,当时的科学家借此仅能粗略勾勒树木原貌,关于它如何生长的细节也无从判断。

2004年,美国纽约州立博物馆古生物学家们在吉尔博阿附近发现了代表一棵完整树木的化石群,其中包括完整的树冠部分和大量树桩部分的残片。一年后,他们又在同一地点找到了更多的化石。

“这些化石全部属于瓦提萨树种(树蕨类),它们终于拼凑出了最早森林树木的完整形态。”徐洪河说,“研究发现,这一化石群代表了最早的树木,它高4~5米,外形与现代的棕榈树有些相似,出现在距今约3.8亿年前的中泥盆世晚期。”

作为地质时代的泥盆纪,尤其是中泥盆世至晚泥盆世时期(距今约3.9亿~3.6亿年),是陆生植物演化与分异的重要时期,古环境发生了剧烈变化,大气二氧化碳浓度大幅度降低。这一地质时期也是陆地生态系统发展和完善的关键节点。

徐洪河指出,除了树蕨类,来自中国和世界其他国家的化石表明,最古老森林里囊括的树种还包括树状石松类、古羊齿类植物等等,它们都是在中泥盆世晚期至泥盆世在地球上逐渐繁盛起来的。

随着地球上出现了最早的森林,大气二氧化碳的浓度发生了地质历史中最大幅度的降低。至晚泥盆世时期,森林已经拓展至当时全球的主要陆块,大气二氧化碳的浓度已经降至与现代相当的水平,最早的四足动物(两栖类)已经适应了陆地生活。

徐洪河指出,陆地生态系统在中泥盆世的完善与发展,对其后包括人类在内的所有陆地生物的起源和演化都产生了深远的影响。

古老森林里的怪异树木

古植物学者已经通过美国纽约州等地的化石材料证实,最早的森林出现在中泥盆世晚期,主要是由枝蕨类植物所构成。徐洪河说,枝蕨类植物的显著特点是其解剖结构中具有多枚呈分枝状的木质部束,“这些古老的树木和我们现在了解的树木有很大的不同,比如,在中国最为常见的一类树木是树状石松,它们有着非常庞大的根系,而且往往具有向下二分叉的根系。”

通过观察化石,徐洪河发现在这些古老树木的树皮上,还留下了许多排列整齐的菱形花纹,中间有类似“肚脐眼”的形状。他解释道,这是树状石松在生长过程中掉落的叶子在枝干上形成的“底座”。

这些树状石松类植物的解剖结构较独特,作为树木的最重要的木质部,在这些石松类树干中表现得非常细小,树木的髓部分也非常小。在显微镜下,它们粗壮的树干大部分都是由树木的皮层组织构成的,而现代的树木结构与此完全不同。

“植物的生长包括增高和增粗两个方面,只有达到一定粗壮程度的植物才能足够高大,也才能构成森林。”徐洪河指出,在此之前,构成最早森林的枝蕨类植物化石,仅有铸型和压型保存的化石材料,通过这些只能了解植物体的外部形态。

植物的解剖结构记录了植物体的生长发育信息,只有通过对植物解剖结构的研究,才能了解植物体生长过程,尤其是至关重要的植物如何加粗生长。徐洪河表示:“构成泥盆纪森林的植物往往外部形态相近,而内部解剖结构和生长模式具有显著差异。”

枝蕨类植物“骨骼”研究

“2012年,我和王怿、唐鹏、傅强等人在新疆塔城地区无意间找到了一小块枝蕨类植物化石标本。”徐洪河说,2015年,他们又在新疆无人区,找到一块最大直径达70厘米的、硅化保存枝蕨类植物化石标本,它是最早的硅化木。“这些珍贵的化石,也为我们的研究提供了科学依据。”

这期间,该团队还联合英国Cardiff大学的C M Berry博士以及美国纽约州博物馆专门从事植物解剖学研究的W Stein教授,对新疆塔城地区晚泥盆世硅化保存的枝蕨类化石开展了理论性的研究工作。

据悉,新疆发现的最早硅化木其内部结构独特,至少30枚独立的茎维管束交错排列,构成双环状的圆柱形维管束群,维管束群外围布满了根,这些维管束均具有明显的次生木质部和加粗生长,也具有生长轮(年轮)。此类枝蕨类植物的茎维管束彼此交错成复杂的立体网格,植物体在生长过程中,通过增大单个茎维管束的直径以及不断分生出新的根,而改变维管束群的立体网格结构,进而完成加粗生长,同时,植物也变得越发高大。

徐洪河称,尽管新疆硅化保存的这批化石并不是地球上最早的枝蕨类植物,但是,通过对它们内部“骨骼”的研究,可以识别出枝蕨类植物类群加粗生长的模式,建立所有枝蕨类植物的生长模型。

“我们还发现构成早期森林的枝蕨类植物这种加粗生长的方式,与现代植物中的某些单子叶植物具有一定的相似性。”徐洪河说,“虽然我们不是最早森林的发现者,但我们的理论模型适用于世界各地构成早期森林的所有枝蕨类树木。”
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