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徐洪河在野外采集化石

徐洪河在講解化石。

　　遠(yuǎn)古時(shí)代的森林是什么樣子？最早的樹木跟現(xiàn)在的樹木一樣嗎？世界上最古老的樹木和森林又是何時(shí)出現(xiàn)的呢？

　　現(xiàn)代森林里有很多我們所熟悉的樹木，但遠(yuǎn)古時(shí)代的森林是什么樣子？最早的樹木跟現(xiàn)在的樹木一樣嗎？世界上最古老的樹木和森林又是何時(shí)出現(xiàn)的呢？

　　經(jīng)過(guò)5年多的發(fā)現(xiàn)與求證，中科院南京地質(zhì)與古生物研究所研究員徐洪河領(lǐng)銜的一支中外科研團(tuán)隊(duì)，利用新疆塔城地區(qū)晚泥盆世（距今約3.7億年）地層中最早的硅化木化石，構(gòu)建出了地球上最古老樹木的生長(zhǎng)理論模型。10月24日，《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）在線發(fā)表了該團(tuán)隊(duì)的最新研究成果。

　　徐洪河告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者：“我們開展了古植物學(xué)領(lǐng)域的理論性研究，對(duì)于早期陸生植物的演化、陸地生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展以及現(xiàn)代生物學(xué)的相關(guān)研究均具有重要的參照價(jià)值?！?/p>

　　證實(shí)最早森林的出現(xiàn)

　　1870年，在紐約州吉爾博阿市的一處采石場(chǎng)，工人在采石爆破時(shí)發(fā)現(xiàn)了一塊直徑約一米的樹干化石，這是最早樹木化石的首次亮相。因?yàn)樗鼉H是一段樹樁基部的化石，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家借此僅能粗略勾勒樹木原貌，關(guān)于它如何生長(zhǎng)的細(xì)節(jié)也無(wú)從判斷。

　　2004年，美國(guó)紐約州立博物館古生物學(xué)家們?cè)诩獱柌┌⒏浇l(fā)現(xiàn)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。一年后，他們又在同一地點(diǎn)找到了更多的化石。

　　“這些化石全部屬于瓦提薩樹種（樹蕨類），它們終于拼湊出了最早森林樹木的完整形態(tài)?！毙旌楹诱f(shuō)，“研究發(fā)現(xiàn)，這一化石群代表了最早的樹木，它高4～5米，外形與現(xiàn)代的棕櫚樹有些相似，出現(xiàn)在距今約3.8億年前的中泥盆世晚期?！?/p>

　　作為地質(zhì)時(shí)代的泥盆紀(jì)，尤其是中泥盆世至晚泥盆世時(shí)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(shí)期，古環(huán)境發(fā)生了劇烈變化，大氣二氧化碳濃度大幅度降低。這一地質(zhì)時(shí)期也是陸地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展和完善的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

　　徐洪河指出，除了樹蕨類，來(lái)自中國(guó)和世界其他國(guó)家的化石表明，最古老森林里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(lái)的。

　　隨著地球上出現(xiàn)了最早的森林，大氣二氧化碳的濃度發(fā)生了地質(zhì)歷史中最大幅度的降低。至晚泥盆世時(shí)期，森林已經(jīng)拓展至當(dāng)時(shí)全球的主要陸塊，大氣二氧化碳的濃度已經(jīng)降至與現(xiàn)代相當(dāng)?shù)乃?，最早的四足?dòng)物（兩棲類）已經(jīng)適應(yīng)了陸地生活。

　　徐洪河指出，陸地生態(tài)系統(tǒng)在中泥盆世的完善與發(fā)展，對(duì)其后包括人類在內(nèi)的所有陸地生物的起源和演化都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

　　古老森林里的怪異樹木

　　古植物學(xué)者已經(jīng)通過(guò)美國(guó)紐約州等地的化石材料證實(shí)，最早的森林出現(xiàn)在中泥盆世晚期，主要是由枝蕨類植物所構(gòu)成。徐洪河說(shuō)，枝蕨類植物的顯著特點(diǎn)是其解剖結(jié)構(gòu)中具有多枚呈分枝狀的木質(zhì)部束，“這些古老的樹木和我們現(xiàn)在了解的樹木有很大的不同，比如，在中國(guó)最為常見(jiàn)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(guò)觀察化石，徐洪河發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)過(guò)程中掉落的葉子在枝干上形成的“底座”。

　　這些樹狀石松類植物的解剖結(jié)構(gòu)較獨(dú)特，作為樹木的最重要的木質(zhì)部，在這些石松類樹干中表現(xiàn)得非常細(xì)小，樹木的髓部分也非常小。在顯微鏡下，它們粗壯的樹干大部分都是由樹木的皮層組織構(gòu)成的，而現(xiàn)代的樹木結(jié)構(gòu)與此完全不同。

　　“植物的生長(zhǎng)包括增高和增粗兩個(gè)方面，只有達(dá)到一定粗壯程度的植物才能足夠高大，也才能構(gòu)成森林?！毙旌楹又赋觯诖酥?，構(gòu)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(guò)這些只能了解植物體的外部形態(tài)。

　　植物的解剖結(jié)構(gòu)記錄了植物體的生長(zhǎng)發(fā)育信息，只有通過(guò)對(duì)植物解剖結(jié)構(gòu)的研究，才能了解植物體生長(zhǎng)過(guò)程，尤其是至關(guān)重要的植物如何加粗生長(zhǎng)。徐洪河表示：“構(gòu)成泥盆紀(jì)森林的植物往往外部形態(tài)相近，而內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)模式具有顯著差異?！?/p>

　　枝蕨類植物“骨骼”研究

　　“2012年，我和王懌、唐鵬、傅強(qiáng)等人在新疆塔城地區(qū)無(wú)意間找到了一小塊枝蕨類植物化石標(biāo)本?！毙旌楹诱f(shuō)，2015年，他們又在新疆無(wú)人區(qū)，找到一塊最大直徑達(dá)70厘米的、硅化保存枝蕨類植物化石標(biāo)本，它是最早的硅化木?！斑@些珍貴的化石，也為我們的研究提供了科學(xué)依據(jù)?！?/p>

　　這期間，該團(tuán)隊(duì)還聯(lián)合英國(guó)Cardiff大學(xué)的C M Berry博士以及美國(guó)紐約州博物館專門從事植物解剖學(xué)研究的W Stein教授，對(duì)新疆塔城地區(qū)晚泥盆世硅化保存的枝蕨類化石開展了理論性的研究工作。

　　據(jù)悉，新疆發(fā)現(xiàn)的最早硅化木其內(nèi)部結(jié)構(gòu)獨(dú)特，至少30枚獨(dú)立的莖維管束交錯(cuò)排列，構(gòu)成雙環(huán)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(zhì)部和加粗生長(zhǎng)，也具有生長(zhǎng)輪（年輪）。此類枝蕨類植物的莖維管束彼此交錯(cuò)成復(fù)雜的立體網(wǎng)格，植物體在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)增大單個(gè)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(wǎng)格結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成加粗生長(zhǎng)，同時(shí)，植物也變得越發(fā)高大。

　　徐洪河稱，盡管新疆硅化保存的這批化石并不是地球上最早的枝蕨類植物，但是，通過(guò)對(duì)它們內(nèi)部“骨骼”的研究，可以識(shí)別出枝蕨類植物類群加粗生長(zhǎng)的模式，建立所有枝蕨類植物的生長(zhǎng)模型。

　　“我們還發(fā)現(xiàn)構(gòu)成早期森林的枝蕨類植物這種加粗生長(zhǎng)的方式，與現(xiàn)代植物中的某些單子葉植物具有一定的相似性?！毙旌楹诱f(shuō)，“雖然我們不是最早森林的發(fā)現(xiàn)者，但我們的理論模型適用于世界各地構(gòu)成早期森林的所有枝蕨類樹木?！?/p>

　?。ㄔd于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2017-11-06 第6版 院所)