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山西保德2.8亿年前煤层中发现最早的淀粉化石揭示早期动植物共栖现象

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热度21票 浏览49次 时间:2018年3月13日 10:11
山西保德早二叠世淀粉颗粒在光学和扫描电子显微镜下的光学和形态特征图

山西保德早二叠世淀粉颗粒在光学和扫描电子显微镜下的光学和形态特征图

山西保德早二叠世含淀粉大孢子超微结构图

山西保德早二叠世含淀粉大孢子超微结构图

山西保德早二叠世含淀粉大孢子与现生含有脂质体种子的对比

山西保德早二叠世含淀粉大孢子与现生含有脂质体种子的对比

(中国化石网报道)据中国科学院南京地质古生物研究所:作为人类的主要食物来源,淀粉的重要性不言而喻,目前已知的最早的淀粉粒化石产自于距今两百万年前的旧石器时代的石器裂缝中。近日,中国科学院南京地质古生物研究所刘锋研究员团队在山西保德2.8亿年前的煤层中发现一种奇特的石松类大孢子,表面被一团圆形颗粒所覆盖,后者被认为是最早的淀粉化石。通过与现生植物种子进行对比,认为这可能属于油质体结构,从而揭示了早期动植物存在复杂的共栖现象。

淀粉是由葡萄糖分子聚合而成的,它是大部分绿色植物将光合作用产生的碳水化合物储藏而形成的一种多糖化合物。作为人类的主要食物来源,淀粉被认为对人类生理和文明的演变起到重要作用。

由于淀粉颗粒在土壤中很难长时间保存,因此很多考古学家认为淀粉粒化石在没有石器或一些容器的保护下,保存时间很难超过600年,在第四纪以前的地层出现的可能性更是微乎其微。由于缺乏化石证据,关于植物淀粉对漫长地质历史时期陆地生态系统演化的影响我们还知之甚少。

刘锋等通过与德国明斯特大学及中国科学院地理科学与资源研究所相关研究人员合作,在我国鄂尔多斯盆地东北缘山西省保德县下石盒子组的一层煤层中(亚丁斯克阶,距今2.9-2.8亿年)发现一种奇特的石松类大孢子(异孢植物的雌性配子体),大孢子的近极面被一团圆形颗粒所覆盖。在光学和扫描电子显微镜下的观察发现,这些颗粒呈圆形或多边形,中心都具有一个脐形凹陷,特别是运用正交偏光显微镜观察后发现,大部分颗粒在镜下呈现出明显的双折射和十字消光现象(图1)。这些特征与现生淀粉粒的形态和光学特性完全相符,而且运用X射线能谱对这些颗粒的研究表明这些颗粒主要是由C和O组成,因此也排除了这些颗粒是鲕粒、生物参与合成的草酸、磷酸或碳酸类球晶的可能性。综合来自显微成像和X射线能谱等多方面证据,表明这些颗粒是距今2.9–2.8亿年的淀粉颗粒。

这是目前已知最早的特征明确的淀粉颗粒化石记录,打破一些考古学家认为淀粉颗粒在没有石器或一些容器的保护下很难在第四纪以前的地层中保存的推定。进一步明确在一些特定沉积条件下,例如成煤环境,一些淀粉颗粒被泥土快速地包裹和埋藏可以抑制水和其他细菌、真菌对淀粉颗粒的水解和破坏,因此这些淀粉粒可以在如此漫长的地质历史时期中得以保存。

同时,发现的淀粉粒直径大多大于5微米,而且它们聚集在一起呈团块状出现。很多考古淀粉学的研究表明这些淀粉应该属于复合贮藏淀粉。植物通过光合作用在色素体中合成这类淀粉,使它们在植物体中扮演长期储存能量的角色。这种复合贮藏淀粉主要分布于现生种子的子叶和胚乳中,用来营养植物幼体的发育。但经过对数千张大孢子超微结构图的观察发现这些复合贮藏淀粉颗粒仅分布于大孢子近极面的表面,在大孢子的内部并没类似圆形颗粒的出现(图2)。因此基本可以排除这些淀粉颗粒是用来支持石松类胚胎发育的营养物质。

通过与现生一些依靠动物传播的植物种子对比,研究人员认为这些位于大孢子近极面的淀粉团块,与现生一些种子上常出现的一种被称为油质体(elaiosome)的可食附着体非常接近。

现生种子的脂质体主要是用来吸引蚂蚁、陆地腹足类或鸟类食取种子,从而实现种子的远距离传播。在传播种子的同时,这些动物获得了高能量的营养物质,通过这个过程,动植物建立了紧密的共栖关系。

类似的可食淀粉附着体在早二叠世的大孢子表面出现表明,远远早于最早的蚂蚁和鸟类出现之前,远古的某些石松类植物已经具备了强大的光合作用能力,并能够把光合作用生产的葡萄糖以淀粉的形式大量储存下来,同时利用这些淀粉吸引当时陆地上的一些生物(如蜗牛、蟑螂和多足类)的食取来实现自身种子的传播,从而建立动植物共栖关系。

相关文章已经在线发表在国际权威地质学杂志《Geology》上,相关研究得到中国科学院、国家自然科学基金委和德国洪堡基金的资助。

论文相关信息:Liu, F., Bomfleur, B., Peng, H.P., Li, Q., Kerp, H. Zhu, H.C., S. 2018. 280-million-year old fossil starch reveals early plant-animal mutualism. Geology, DOI: 10.1130/G39929.1.

相关报道:中德研究团队发现迄今最早的淀粉化石

(中国化石网报道)据新华社南京3月13日电(记者朱筱、王珏玢):记者从中国科学院南京地质古生物研究所获悉,一个由中、德两国研究者组成的团队在山西保德2.8亿年前的煤层中发现一种石松类大孢子,其表面被一团圆形颗粒所覆盖,这些颗粒是迄今发现的历史最为久远的淀粉化石。

此次发现的石松类大孢子在我国鄂尔多斯盆地东北缘山西省保德县下石盒子组的一层煤层中。综合显微成像和X射线能谱等多方面的证据,可以发现这些颗粒主要由碳和氧元素组成。它们呈圆形或多边形,中心具有一个脐形凹陷,且大部分在正交偏光显微镜下显示出双折射和十字消光现象,这与现生淀粉粒的形态和光学特性完全相符,表明这些颗粒是距今2.9亿–2.8亿年的淀粉颗粒。

“这是目前已知最早的特征明确的淀粉颗粒化石记录。”该研究领导者、南古所研究员刘锋介绍,同时进一步明确在一些成煤环境等特定沉积条件下,一些淀粉颗粒被泥土快速地包裹和埋藏可以抑制水和其他细菌、真菌对淀粉颗粒的水解和破坏,从而能在漫长的地质历史时期中得以保存。

此外,研究人员认为,这些位于大孢子近极面的淀粉团块,与现生一些种子上常出现的一种被称为油质体的可食附着体接近。

类似的可食淀粉附着体在早二叠世的大孢子表面出现表明,在最早的蚂蚁和鸟类出现之前,远古的某些石松类植物已经具备了强大的光合作用能力,并能把光合作用生产的葡萄糖以淀粉的形式大量储存。

“这类植物利用淀粉吸引当时陆地上一些生物,比如蜗牛、蟑螂和多足类动物来食用自己,以实现自身种子的传播,从而建立动植物共栖关系。”刘锋说。

相关研究成果已于近日发表在国际学术期刊《地质学》上。
TAG: 化石 淀粉
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