約3億年前，靠近赤道的一片熱帶雨林地區(qū)發(fā)生了一場火山噴發(fā)，火山灰將所有植物封存起來。如今，當年的大陸已經(jīng)漂移到內(nèi)蒙古烏海市。

近日，中科院南京地質古生物研究所研究員王軍領導的一支國際團隊在內(nèi)蒙古烏海市烏達區(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，并確認其為種子植物的姊妹類群——前裸子植物的一員。相關研究成果3月9日發(fā)表于美國《國家科學院院刊》。

身世謎團已延續(xù)百年

瓢葉目植物是生活在距今3.5億年—2.5億年前的一類植物，包括20余屬50余種，常見于煤系地層。分布于中國、歐洲和北美。曾被認為是真蕨類、楔葉類、前裸子植物，或者一個獨立的分類單元。

“這類古植物的化石標本最早于1822年在捷克被發(fā)現(xiàn)，而瓢葉目的確立是1931年。”王軍說。

為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的、地球上曾經(jīng)有過的各種植物在分類系統(tǒng)里面找到相應的位置，是古植物學家們最基本的學科目標。但瓢葉目植物的身世一直是個謎。

研究的合作者，來自英國伯明翰大學的Jason Hilton博士說，在被建立之初，瓢葉目被認為是一個獨特的植物種群。科學家們把它們當作一個“分類學足球”在球場上踢來踢去，卻沒有一個人完成“射門歸類”這一目標。

此前瓢葉目的化石標本比較碎小，缺乏整體解剖結構，所以無法從分類學上進行歸類。同時，各地的瓢葉目形態(tài)也有很大差異。

“長期以來，瓢葉目之所以無法‘認祖歸宗’，關鍵在于缺乏植物的整體形態(tài)和內(nèi)部解剖信息。”王軍說，這些關鍵特征的突破，有賴于外觀形態(tài)和內(nèi)部解剖結構均保存較好的化石標本的發(fā)現(xiàn)。

2012年，王軍團隊在內(nèi)蒙古烏海市發(fā)現(xiàn)一個保存完好的“植物龐貝城”，其中有大量完整而精美的標本，為探明這類植物的親緣關系及其重要的生命演化意義奠定了基礎。

發(fā)現(xiàn)瓢葉目家族新物種

王軍認為，正是前文所述的火山噴發(fā)創(chuàng)造了絕佳的埋藏條件。

通過王軍在現(xiàn)場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干。

在復原圖中，森林的樹木最高大的高30多米，最小的不及人的腳踝。在復原圖第一排便可看到像棕櫚樹的瓢葉目，它們高五六米，挺拔向上。

王軍團隊發(fā)現(xiàn)了來自“植物龐貝城”的瓢葉目家族新物種烏海擬齒葉。

在南京地質古生物研究所標本館里，這塊重達2.5噸的瓢葉目化石標本完整地保留了這棵樹被火山灰埋藏前的樣子。

烏海擬齒葉的樹干頂端長著一個玉米棒一樣的果穗，果穗看起來呈輻射狀對稱，果穗的上下方同時長有葉子。

王軍認為，這項研究揭開了“植物龐貝城”的面紗，這里是一個巨大的化石寶庫，蘊藏著許多古植物世界的秘密。當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

科研人員利用國內(nèi)最先進的實驗儀器對烏海擬齒葉進行了解剖觀察，發(fā)現(xiàn)它有蕨類植物的孢子繁殖方式，同時又具有種子植物的木材結構。根據(jù)這些特征，可以確認它是種子植物的姊妹類群——前裸子植物的一員。

“解剖葉子，我們發(fā)現(xiàn)葉軸兩側有對稱的維管束。更讓人驚奇的是，它的果穗也是兩側對稱的維管束。這是果穗是從葉子進化過來的直接證據(jù)。而解剖這棵樹的主干，我們發(fā)現(xiàn)其有次生木質部，這是讓我們定下這棵樹的分類特征的最大一項突破。”王軍解釋，這些特征匯總起來就是典型的前裸子植物。

“這類植物最早見于泥盆紀，并由此演化出了種子植物。”王軍表示，瓢葉目的地質年代是從早石炭世到二疊紀末，這一發(fā)現(xiàn)將前裸子植物的地質時間范圍延長了約6000萬年。

前裸子植物代表了植物界在進化過程當中，孢子植物進化到種子植物過渡的一種類群。此前認為，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。此次研究認為，其存在時間應該是中泥盆世—石炭—二疊紀末。

這項研究表明，在種子植物分化出來(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，直至二疊紀末。并獨立發(fā)展出似球果繁殖器官，并沒有像先前認為的那樣迅速滅絕。

盡管瓢葉目植物繁殖能力強大，但在二疊紀末大滅絕期間，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)，而伴隨著瓢葉目賴以生存的環(huán)境消失，該目也隨之滅絕。

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