類似落葉堆的褐煤層

史恭樂從未想到過自己會(huì)在大洋彼岸美國耶魯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里研究從蒙古國采集的褐煤樣品，發(fā)現(xiàn)大量的杉木祖先的化石“干尸”，并且這些化石最終以他的導(dǎo)師、中科院院士周志炎的姓氏命名。

這一切還要從2013年開始說起。

在被人忽視的褐煤中發(fā)現(xiàn)寶貝

2013年，已經(jīng)在中科院南京地質(zhì)古生物研究所留所工作的史恭樂，應(yīng)邀到美國耶魯大學(xué)進(jìn)行博士后研究，課題是蒙古國早白堊世植物化石。

“早白堊世（距今約1.4億～ 1億年）是被子植物演化非常關(guān)鍵的一個(gè)階段。中生代是裸子植物的時(shí)代，白堊紀(jì)最早期被子植物開始出現(xiàn)并迅速分化擴(kuò)散，取代裸子植物成為植物界的優(yōu)勢類群。很多現(xiàn)生植物的祖先都可以追溯到早白堊世。”現(xiàn)已是該所副研究員的史恭樂告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，“植物化石常發(fā)現(xiàn)于煤礦中。蒙古國有很多早白堊世露天煤礦，我們課題組在這些煤礦中采集了大量褐煤樣品，中木商網(wǎng)陳昌文的工作就是在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)這些樣品進(jìn)行浸解、篩選和鑒定。”

要了解褐煤，首先要了解煤的形成。一般而言，煤就是遠(yuǎn)古植物被埋藏后，在隔絕空氣的條件下，受到高溫高壓作用變質(zhì)而形成。而褐煤則是變質(zhì)程度最低的礦產(chǎn)煤。“褐煤中的遠(yuǎn)古植物還未完全成煤，在保存完好的情況下，它們更像是一個(gè)落葉堆。”史恭樂解釋說。

在龐大的“落葉堆”中，史恭樂經(jīng)過大量的篩選，發(fā)現(xiàn)了一批距今約1.1億年的植物化石。令他吃驚的是，這些化石中不僅有葉子，還有松柏植物的雌球果、雄球花以及一些滅絕植物類群的繁殖器官化石。這些化石完美地保存了當(dāng)年的“模樣”，被稱為“木乃伊”化石。

“傳統(tǒng)的研究方法讓古植物學(xué)家將目光集中在煤層頂板的沉積巖中，而忽視了褐煤層本身。”史恭樂說，“但褐煤層中的‘木乃伊’植物化石保存更精美，可以提供更多遠(yuǎn)古植物的信息。”

實(shí)際上，有些距今幾千萬年的植物已經(jīng)完全成煤。而這種歷經(jīng)1.1億年還處在“落葉堆”階段的植物，史恭樂認(rèn)為可能和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境、埋藏地層的壓力等多方面條件因素有關(guān)。

在1.1億年前的早白堊世，位于東北亞腹地的蒙古地區(qū)不似現(xiàn)在寒冷干燥，反而是溫暖、潮濕的，擁有大片沼澤地，生長著大量的成煤植物。溫暖濕潤的氣候下，這些成煤植物生長迅速，產(chǎn)生了大量的落葉。在沼澤靜水環(huán)境下，這些遠(yuǎn)古植物遺體被迅速掩埋，在短時(shí)間內(nèi)隔絕了空氣，所以得以保存下來。掩埋較淺的遠(yuǎn)古植物遺體由于缺乏高溫高壓條件，沒有進(jìn)一步變質(zhì)成煤，而是形成了像木乃伊一樣的化石，成為古植物學(xué)研究最理想的材料。

將杉木譜系補(bǔ)充完全

相比較河流和湖泊環(huán)境中形成的植物化石，沼澤環(huán)境形成的化石更加密集。被史恭樂從早白堊世“落葉堆”中篩選出的周氏似縱標(biāo)本就超過了一千塊。“木乃伊化的植物化石能提供給我們更多的信息，了解當(dāng)時(shí)這種植物的整體面貌和環(huán)境背景。”史恭樂介紹道。

經(jīng)過對(duì)比，他與同事們發(fā)現(xiàn)周氏似縱的球果，雄球花和營養(yǎng)枝葉直接相連，形態(tài)上與現(xiàn)生柏科的杉木非常類似。比如球果，1.1億年前的周氏似縱和現(xiàn)在的杉木幾乎沒有區(qū)別；而葉片形態(tài)和現(xiàn)在的杉木也很相似，只是葉片上的氣孔更密集，可能和當(dāng)時(shí)二氧化碳濃度較高有關(guān)。“所以我們將這些化石歸為柏科，它們是現(xiàn)生杉木的祖先。”

“‘似縱’是化石植物的屬名，和現(xiàn)生杉木類似的球果化石往往被定為似縱。而‘周氏’則來自中木商網(wǎng)陳昌文的博士導(dǎo)師周志炎院士。”史恭樂說。他在美國的合作導(dǎo)師克倫教授早年曾和周志炎在同一實(shí)驗(yàn)室并肩工作，兩人互為好友。周志炎在裸子植物化石尤其是銀杏化石研究領(lǐng)域有著里程碑式的貢獻(xiàn)，所以克倫教授建議用他的姓氏命名這一化石。最終這些精美的化石被命名為“周氏似縱”。

也正是因?yàn)榛参锉４嫱暾梢酝ㄟ^譜系分析的方法揭示周氏似縱和其他柏科植物的親緣關(guān)系。通過形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)分析方法和分子骨架法，史恭樂和同事們在對(duì)包括柏科現(xiàn)生種和早期柏科化石種在內(nèi)的22個(gè)類群進(jìn)行了分支系統(tǒng)分析。結(jié)果顯示，包括現(xiàn)生杉木和類似杉木的侏羅紀(jì)及白堊紀(jì)化石在內(nèi)的類群是柏科最原始、最早分化的類群。這項(xiàng)研究無疑豐富了我們對(duì)柏科演化脈絡(luò)的認(rèn)識(shí)。

杉木是我國南方的常見植物。但化石資料表明，杉木是和植物界的明星銀杏和水杉一樣的活化石。它的祖先可追溯到1.7億年前的中侏羅世甚至更早。與銀杏和水杉類似，現(xiàn)生的杉木僅生活在東亞南部，并且僅具有兩個(gè)種，處于類群演化的衰退期。但在約1.1億年前的早白堊世，杉木的祖先遍布北半球，形態(tài)和生態(tài)多樣性都較高。杉木的祖先還是一種重要的成煤植物。我們發(fā)電用的褐煤，很多都是由它們所形成。

尋找更多完整的植物化石

除了杉木的祖先周氏似縱，史恭樂和他的同事們還在蒙古國的褐煤中發(fā)現(xiàn)了很多已經(jīng)滅絕的遠(yuǎn)古植物。其中包括屬于種子蕨類盔籽植物的蒙古昂科馬什果，以及和銀杏密切相關(guān)的蒙古烏馬托鱗片。這些滅絕植物不僅豐富了我們對(duì)于白堊紀(jì)植物多樣性的認(rèn)識(shí)，對(duì)揭示被子植物花的起源和重建種子植物系統(tǒng)發(fā)育都具有重要意義。

在蒙古國褐煤層中發(fā)現(xiàn)的“周氏似縱”和其他木乃伊化的植物化石，為古植物研究翻開了新的篇章。現(xiàn)在，史恭樂和他的同事們將目光放在了我國的內(nèi)蒙古。

在接受記者采訪的時(shí)候，史恭樂正在內(nèi)蒙古進(jìn)行野外發(fā)掘。“內(nèi)蒙古也有很多早白堊世的露天褐煤礦，它們和蒙古國的褐煤形成于同一時(shí)期，同樣保持有很多木乃伊化的植物化石。但在我國對(duì)褐煤中植物化石的研究幾近空白，我們下一步的工作有可能會(huì)給大家?guī)砀嗟捏@喜。”史恭樂介紹說。