探秘中國“植物龐貝城”
來源標(biāo)題:探秘中國“植物龐貝城”
近日,在韓國舉辦的第37屆國際地質(zhì)大會上,國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會(以下簡稱“國際地科聯(lián)”)公布了第二批100個世界地質(zhì)遺產(chǎn)地名錄,中國有3處入選,“烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地”是其中之一。
烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地為何被稱為“植物龐貝城”?有怎樣的科學(xué)價值?目前的研究情況如何?
全球唯一的二疊紀“植物龐貝城”
烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地指的是內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海市烏達煤田內(nèi)埋藏保存的二疊紀化石森林。
2.98億年前,整個華北地區(qū)還是沉浸在汪洋中的一個大島嶼,烏達地區(qū)處于北回歸線以南的低緯度熱帶區(qū)域,是一片生機盎然的熱帶雨林,這里溫暖濕潤,長滿石松類、有節(jié)類、瓢葉類、蕨類、種子蕨類、原始松柏類、蘇鐵類等植物,高低錯落,郁郁蔥蔥。然而,一場規(guī)??涨暗幕鹕酵蝗粐姲l(fā),厚厚的火山灰飄到了這片森林,整片森林被就地掩埋。
烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地的保存方式與龐貝古城遺址如出一轍。公元79年,維蘇威火山爆發(fā),龐貝被掩埋在數(shù)米深的火山灰下,直到1748年被發(fā)掘,這里原封不動地保留了神廟、街道、民居等。基于此,負責(zé)烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地發(fā)掘的中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所所長王軍帶領(lǐng)的研究團隊將該產(chǎn)地命名為“植物龐貝城”,這一研究成果2012年在《美國科學(xué)院院報》發(fā)表后,引發(fā)了國際地質(zhì)古生物學(xué)界的關(guān)注。
國際地科聯(lián)在對今年獲評的遺產(chǎn)地進行介紹時這樣寫道:烏達化石遺址是世界上重建植物化石數(shù)量最多的地方,也是世界上精確重建煤田植被實際景觀規(guī)模最大的地方,為了解植物群落生態(tài)提供了一個獨特的窗口,超過50個物種分類說明了該區(qū)域高度的生物多樣性。烏達化石代表了一個被稱為二疊紀“植物龐貝城”的遠古森林的特殊記錄。
“目前,不完全統(tǒng)計顯示,全球發(fā)現(xiàn)的動物化石埋藏點可能不少于50萬,植物化石埋藏點可能有10余萬,但是公認的保存方式與‘植物龐貝城’基本相同的只有5個。這里是唯一一個處于二疊紀最早期的,準(zhǔn)確地說是處于石炭紀與二疊紀之交。”王軍告訴記者。
據(jù)了解,其他的類似于“植物龐貝城”保存的植物群位于美國、西班牙、捷克、德國,但受制于自然環(huán)境等因素的影響,種群豐富程度與科研進展不及烏達植被化石產(chǎn)地。
“植物龐貝城”研究團隊目前的研究進展表明,烏達“植物龐貝城”囊括5項世界之最:最大面積的遠古森林實際復(fù)原、最豐富的同期成煤植物群化石標(biāo)本收藏、最古老的蘇鐵植物、最豐富的瓢葉目植物群落以及最多的化石植物整體重建。
稀有的原位埋藏化石森林
原位埋藏是王軍當(dāng)初發(fā)現(xiàn)烏達化石的線索,也是烏達化石產(chǎn)地之所以具有重大科學(xué)價值的重要原因。
1997年,王軍在中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所博士后流動站做瓢葉目植物的研究,所里的吳秀元老師送給他一小塊產(chǎn)自賀蘭山脈的瓢葉類植物礦化標(biāo)本。吳秀元20世紀60年代初來到中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所,一直跟隨李星學(xué)院士從事地層古植物學(xué)研究,對賀蘭山華夏植物群等非常熟悉,尤其擅長石炭紀植物和地層的研究。20世紀80年代,吳老師在賀蘭山野外考察期間,偶然發(fā)現(xiàn)一塊已礦化的瓢葉目植物化石,雖然這個球果化石的直徑僅有2厘米,但結(jié)構(gòu)保存完整,十分罕見。
王軍對這個化石進行了仔細的修理和技術(shù)分析,鑒定后確認這是瓢葉目中的一個新種,后來在他的博士后出站報告《瓢葉目一種孢子葉球盤穗的形態(tài)及解剖學(xué)研究》中將其命名為“中華盤穗”。這是當(dāng)時發(fā)現(xiàn)的第一塊保存了內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的瓢葉目植物化石,它為解決瓢葉目植物的系統(tǒng)歸屬提供了重要線索。但它的體積太小,當(dāng)時的實驗條件無法展開更深入研究,王軍覺得有必要重返賀蘭山去找更多化石材料。
之后,王軍多次到賀蘭山進行野外科考。2003年,王軍與美國賓夕法尼亞大學(xué)費弗科恩教授一同前往賀蘭山脈,后者主要從事石炭-二疊紀地層和植物研究,在埋藏學(xué)和古環(huán)境學(xué)等領(lǐng)域成就斐然。這一次,他們雖沒有找到“中華盤穗”,但在烏達煤田紅旗煤礦6號和7號煤層之間,發(fā)現(xiàn)了一層約66厘米厚的植物化石層,綿延三十多米,包括一些直立的莖干,每隔三五米就有一根,這是之前沒有發(fā)現(xiàn)過的。經(jīng)辨認,他們認為很可能是樹蕨、科達和瓢葉目擬齒葉屬。
這樣的發(fā)現(xiàn)令兩位科學(xué)家振奮,后來經(jīng)過研究,發(fā)現(xiàn)這并非以往文獻中認為的湖相粘土巖,而是火山凝灰?guī)r,表明其為火山灰特異埋藏。
王軍告訴記者,火山進行了一次連續(xù)噴發(fā),森林是被一次性掩埋的,中間不存在火山噴發(fā)停止后,又有樹木新生長的情況?;鹕交业娘h落可能持續(xù)了數(shù)天甚至數(shù)月,當(dāng)時埋下來的厚度約為1.2米—1.5米,由于上面又形成了煤層、巖石等,后經(jīng)近3億年以來的地質(zhì)作用,現(xiàn)在保存的厚度約為66厘米。
“一般化石中的植物都是躺著的、破碎的,但這里的植物化石是站著的、完整的。展開的樹冠、倒伏的樹干,甚至還有纏繞的藤蔓、樹間的小草以及被昆蟲咬食的植物葉片。”王軍介紹,烏達植被化石包括了石松類、有節(jié)類、蕨類、種子蕨類、前裸子植物、早期松柏植物和蘇鐵類植物共7大類50余種,具備了現(xiàn)代植被類群中除被子植物以外的各大類群。有著非常清晰的分層結(jié)構(gòu),包括高層喬木、低層喬木、層間植物、灌木層、地被層。團隊還曾發(fā)現(xiàn)了一棵完整的封印木,樹樁在巖石中,樹干倒伏,樹冠折斷但跟樹干還保存在一起,復(fù)原后高達二十幾米。
烏達化石標(biāo)本目前發(fā)現(xiàn)的就超過了50種,多數(shù)都能夠進行整體重建研究,因此這里將可能成為全球?qū)崿F(xiàn)化石植物整體重建復(fù)原屬種最多的古植物學(xué)圣地,有望為古生物演化生命樹增添最多的化石植物新物種。
豐富古生物演化生命樹
據(jù)王軍介紹,這片化石遺產(chǎn)地處在煤層之間,目前為止,科研人員在35平方公里的煤田區(qū)域陸續(xù)發(fā)掘了1萬平方米。
發(fā)掘過程中,許多發(fā)現(xiàn)在打破既有的認知。比如按照教科書,在中國的熱帶雨林,發(fā)掘2500平方米就可以覆蓋區(qū)域內(nèi)的所有物種,但是當(dāng)團隊發(fā)掘到8000平方米的時候,仍然有新物種出現(xiàn)。
“目前已經(jīng)復(fù)原并完整重建了9種古植物。”王軍介紹,特別是在瓢葉目研究方面取得了突破性成果。
在二疊紀末大滅絕事件中,瓢葉目植物隨之消失,它是華夏植物群的特色和代表類群之一,在石炭-二疊紀植物群中最常見,但也是研究最薄弱的一組植物。其植物系統(tǒng)分類位置從1931年該目建立以來始終是個謎團。
2015年,王軍團隊在烏達找到了內(nèi)部結(jié)構(gòu)保存完好的擬齒葉,隨后數(shù)年中,團隊又多次發(fā)現(xiàn)具有相同內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)的擬齒葉,大量數(shù)據(jù)不僅證明果與葉同源,同時也顯示了這類植物的主干發(fā)育具有密木型的松柏類木材特征,至此終于確認瓢葉目屬于前裸子植物,徹底解決了瓢葉目在生命演化樹中的位置,即系統(tǒng)分類屬性及其親緣關(guān)系。
除了樹木,王軍更想了解整個森林的奧秘。
烏達化石產(chǎn)地一塊3000平方米的發(fā)掘現(xiàn)場被畫滿了白色方格,這些就是定位點,每個點位是一棵植物,如果植物都被復(fù)原出來,就能真正做到“既見樹木,又見森林”,不僅可以了解單個植物的信息,更能了解到群落的生態(tài)。
在這里,有最古老可靠的蘇鐵,以往發(fā)現(xiàn)的蘇鐵由于信息內(nèi)容不完整,僅見葉片而缺乏繁殖器官,無法確認屬于蘇鐵。而烏達的蘇鐵則既有葉片又有繁殖器官,可以確定。
王軍告訴記者,從目前研究來看,這片森林里最多的是樹蕨,其次是瓢葉目,而且發(fā)現(xiàn)有科達樹生長的地方,一定沒有封印木,反之亦然,兩者呈割據(jù)狀態(tài)。森林一年中有8個月,地表有淺層水體覆蓋,其余4個月,陸地會露出,這些都是成煤的條件。而到底是哪些植物能夠變成煤炭,長期以來缺乏直觀而清晰的證據(jù),烏達化石產(chǎn)地展現(xiàn)出的成煤植物群落組成,成為研究的一條重要線索。
他還介紹,石炭-二疊紀之交的地球氣候環(huán)境與當(dāng)前十分相似,南北兩極覆冰,當(dāng)時地球正經(jīng)歷冰室氣候向溫室氣候轉(zhuǎn)換,現(xiàn)在也正在從第四紀以來的冰室氣候過渡到溫室氣候,氣溫逐漸升高,極端天氣頻發(fā),植物為了適應(yīng)氣候也要發(fā)生變化,或遷移或進化或滅絕等,烏達化石產(chǎn)地所處的地質(zhì)歷史時期為研究現(xiàn)代植被適應(yīng)冰室過渡到溫室的變化提供了重要參考,對糧食生產(chǎn)有重要意義。
“植物龐貝城”的研究雖然已經(jīng)進行了20多年,但仍有許多未解之謎,比如在如此豐茂的熱帶雨林,僅發(fā)現(xiàn)蝎子等10塊左右的動物化石,為什么數(shù)量和種類都那么少?
王軍告訴記者,一個化石點的研究是無窮無盡的。“技術(shù)一直向前發(fā)展,每一代人的認識有一定的局限,相信這些未解之謎在未來會一一揭開。”
延伸閱讀
內(nèi)蒙古烏達二疊紀植被化石專題展開展
日前,“內(nèi)蒙古烏達二疊紀植被化石專題展”在內(nèi)蒙古自然博物館開展。
此次展覽分為3個單元,“烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地”單元通過圖文展板的方式介紹了烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地的形成過程,揭開了深藏地下約3億年的古植物化石的神秘面紗;“植被化石寶庫”單元展示了石松類、有節(jié)類、瓢葉類、蕨類、種子蕨類、原始松柏類、蘇鐵類等烏達二疊紀時期沼澤森林植物類群,其中包括已經(jīng)滅絕的孢子植物——瓢葉類擬齒葉的完整樹冠標(biāo)本、世界上最古老的蘇鐵等珍貴的植被化石標(biāo)本;“研究與保護”單元介紹了烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地植物化石的發(fā)現(xiàn)過程以及相關(guān)研究成果。展覽充分利用內(nèi)蒙古自然博物館館藏標(biāo)本,通過圖文、互動、實物等多種形式開展科普宣傳,讓公眾更加深入了解烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地的成因、植物類群及其重要價值,進一步推動古植被化石的研究與保護。
據(jù)了解,目前,內(nèi)蒙古已出臺《“內(nèi)蒙古烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地”保護工作方案》,組織科研機構(gòu)和地方力量,全力做好烏達二疊紀植被化石產(chǎn)地保護工作。
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