【中國科學報】解密最古老樹木的生長模式

2020-11-26 中國科學院

徐洪河在野外採集化石

徐洪河在講解化石。

　　遠古時代的森林是什麼樣子？最早的樹木跟現在的樹木一樣嗎？世界上最古老的樹木和森林又是何時出現的呢？

　　現代森林裡有很多我們所熟悉的樹木，但遠古時代的森林是什麼樣子？最早的樹木跟現在的樹木一樣嗎？世界上最古老的樹木和森林又是何時出現的呢？

　　經過5年多的發現與求證，中科院南京地質與古生物研究所研究員徐洪河領銜的一支中外科研團隊，利用新疆塔城地區晚泥盆世（距今約3.7億年）地層中最早的矽化木化石，構建出了地球上最古老樹木的生長理論模型。10月24日，《美國科學院院報》（PNAS）在線發表了該團隊的最新研究成果。

　　徐洪河告訴《中國科學報》記者：「我們開展了古植物學領域的理論性研究，對於早期陸生植物的演化、陸地生態系統的發展以及現代生物學的相關研究均具有重要的參照價值。」

　　證實最早森林的出現

　　1870年，在紐約州吉爾博阿市的一處採石場，工人在採石爆破時發現了一塊直徑約一米的樹幹化石，這是最早樹木化石的首次亮相。因為它僅是一段樹樁基部的化石，當時的科學家藉此僅能粗略勾勒樹木原貌，關於它如何生長的細節也無從判斷。

　　2004年，美國紐約州立博物館古生物學家們在吉爾博阿附近發現了代表一棵完整樹木的化石群，其中包括完整的樹冠部分和大量樹樁部分的殘片。一年後，他們又在同一地點找到了更多的化石。

　　「這些化石全部屬於瓦提薩樹種（樹蕨類），它們終於拼湊出了最早森林樹木的完整形態。」徐洪河說，「研究發現，這一化石群代表了最早的樹木，它高4～5米，外形與現代的棕櫚樹有些相似，出現在距今約3.8億年前的中泥盆世晚期。」

　　作為地質時代的泥盆紀，尤其是中泥盆世至晚泥盆世時期（距今約3.9億～3.6億年），是陸生植物演化與分異的重要時期，古環境發生了劇烈變化，大氣二氧化碳濃度大幅度降低。這一地質時期也是陸地生態系統發展和完善的關鍵節點。

　　徐洪河指出，除了樹蕨類，來自中國和世界其他國家的化石表明，最古老森林裡囊括的樹種還包括樹狀石松類、古羊齒類植物等等，它們都是在中泥盆世晚期至泥盆世在地球上逐漸繁盛起來的。

　　隨著地球上出現了最早的森林，大氣二氧化碳的濃度發生了地質歷史中最大幅度的降低。至晚泥盆世時期，森林已經拓展至當時全球的主要陸塊，大氣二氧化碳的濃度已經降至與現代相當的水平，最早的四足動物（兩棲類）已經適應了陸地生活。

　　徐洪河指出，陸地生態系統在中泥盆世的完善與發展，對其後包括人類在內的所有陸地生物的起源和演化都產生了深遠的影響。

　　古老森林裡的怪異樹木

　　古植物學者已經通過美國紐約州等地的化石材料證實，最早的森林出現在中泥盆世晚期，主要是由枝蕨類植物所構成。徐洪河說，枝蕨類植物的顯著特點是其解剖結構中具有多枚呈分枝狀的木質部束，「這些古老的樹木和我們現在了解的樹木有很大的不同，比如，在中國最為常見的一類樹木是樹狀石松，它們有著非常龐大的根系，而且往往具有向下二分叉的根系。」

　　通過觀察化石，徐洪河發現在這些古老樹木的樹皮上，還留下了許多排列整齊的菱形花紋，中間有類似「肚臍眼」的形狀。他解釋道，這是樹狀石松在生長過程中掉落的葉子在枝幹上形成的「底座」。

　　這些樹狀石松類植物的解剖結構較獨特，作為樹木的最重要的木質部，在這些石松類樹幹中表現得非常細小，樹木的髓部分也非常小。在顯微鏡下，它們粗壯的樹幹大部分都是由樹木的皮層組織構成的，而現代的樹木結構與此完全不同。

　　「植物的生長包括增高和增粗兩個方面，只有達到一定粗壯程度的植物才能足夠高大，也才能構成森林。」徐洪河指出，在此之前，構成最早森林的枝蕨類植物化石，僅有鑄型和壓型保存的化石材料，通過這些只能了解植物體的外部形態。

　　植物的解剖結構記錄了植物體的生長發育信息，只有通過對植物解剖結構的研究，才能了解植物體生長過程，尤其是至關重要的植物如何加粗生長。徐洪河表示：「構成泥盆紀森林的植物往往外部形態相近，而內部解剖結構和生長模式具有顯著差異。」

　　枝蕨類植物「骨骼」研究

　　「2012年，我和王懌、唐鵬、傅強等人在新疆塔城地區無意間找到了一小塊枝蕨類植物化石標本。」徐洪河說，2015年，他們又在新疆無人區，找到一塊最大直徑達70釐米的、矽化保存枝蕨類植物化石標本，它是最早的矽化木。「這些珍貴的化石，也為我們的研究提供了科學依據。」

　　這期間，該團隊還聯合英國Cardiff大學的C M Berry博士以及美國紐約州博物館專門從事植物解剖學研究的W Stein教授，對新疆塔城地區晚泥盆世矽化保存的枝蕨類化石開展了理論性的研究工作。

　　據悉，新疆發現的最早矽化木其內部結構獨特，至少30枚獨立的莖維管束交錯排列，構成雙環狀的圓柱形維管束群，維管束群外圍布滿了根，這些維管束均具有明顯的次生木質部和加粗生長，也具有生長輪（年輪）。此類枝蕨類植物的莖維管束彼此交錯成複雜的立體網格，植物體在生長過程中，通過增大單個莖維管束的直徑以及不斷分生出新的根，而改變維管束群的立體網格結構，進而完成加粗生長，同時，植物也變得越發高大。

　　徐洪河稱，儘管新疆矽化保存的這批化石並不是地球上最早的枝蕨類植物，但是，通過對它們內部「骨骼」的研究，可以識別出枝蕨類植物類群加粗生長的模式，建立所有枝蕨類植物的生長模型。

　　「我們還發現構成早期森林的枝蕨類植物這種加粗生長的方式，與現代植物中的某些單子葉植物具有一定的相似性。」徐洪河說，「雖然我們不是最早森林的發現者，但我們的理論模型適用於世界各地構成早期森林的所有枝蕨類樹木。」

　　（原載於《中國科學報》 2017-11-06 第6版 院所)

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