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最早的果實,是讓達爾文頭疼的難題

 零壹貳012 2021-11-18

時間是埋沒一切的沙粒。歷史埋藏在沙丘之下,在更長的時間里化為齏粉,了無痕跡。

生命因此顯得如此不同。生命產(chǎn)生各種生命現(xiàn)象,在足夠長的時間里留下遺留上億年的片羽痕跡。更重要的是,生命會繁殖、擴散,不斷產(chǎn)生后代,基因在其中流轉(zhuǎn),綿延不絕。因此,人類探尋地球的歷史時,曾經(jīng)的生命是最重要的線索。而生命的痕跡,或者本身的形態(tài)因為各種機緣被保留下來的,則成為化石。這些化石被砂石沉積一層層覆蓋,在地質(zhì)運動中被埋藏。而隨著時間一層層沉積的砂石本身,就相當于給化石加上了時間的標尺。

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遼寧古果化石 | Shizhao / Wikimedia Commons

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未解的謎題

在科學肇始發(fā)端,但人類對基因、DNA和同位素定年法一無所知的時代,化石幾乎是了解過往生命的唯一手段。諸多化石的發(fā)現(xiàn)和研究最終動搖了神創(chuàng)論的無上權(quán)威。也正是查爾斯·達爾文乘坐小獵犬號旅行,對生命以及生命的化石形態(tài)的發(fā)現(xiàn)和觀察中,偉大的演化論逐漸成型。

爾文一生一直在思考的一個“惱人之謎”(abominable mystery,見于達爾文1879年7月22日給約瑟夫·道爾頓·胡克的信),就是有花被子植物的起源。

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豐富多彩的有花被子植物 | Alvesgaspar / Wikimedia Commons

我們生活的世界里,大部分植物在一生某個時間段會開花、結(jié)果,種子被一層封閉的“果皮”包著,它們被稱為“被子植物”。在達爾文的時代就已經(jīng)發(fā)現(xiàn),幾乎所有的被子植物化石物種,都從白堊紀晚期的地層之后“突然”出現(xiàn)——在這些地層之前的植物化石,幾乎都無法被認定為被子植物。在演化論中,物種的起源和演化都是漸變的,需要代際和時間積累,這個“突然”,給了早期演化研究者極大困惑。與達爾文同時代的很多植物研究者借此攻擊進化論,聲稱被子植物的花依然是“上帝的造物”。

達爾文的《物種起源》發(fā)表至今過去了162年。進化論經(jīng)歷了波瀾壯闊的發(fā)展和更新,最終成為了現(xiàn)代生物學的基石,進化在堅實的證據(jù)下成為無可爭議的事實。

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研究人員在遼寧尋找化石 |  Wang and Zhou / The Jehol Fossils (2008)

但對于被子植物早期起源,那個“惱人之謎”,我們依然所知甚少, 1.2億年往前的被子植物化石依然難以尋覓。

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證據(jù)確鑿的被子植物

上世紀80-90年代,在中國遼寧出土的大量早白堊紀的古鳥類和爬行動物化石吸引了世界的目光。1990年,完成了在英國的博士后研究、來到東北的古植物學者孫革,在黑龍江的雞西地區(qū)考察中意外發(fā)現(xiàn)了十幾塊植物化石,經(jīng)過判斷,他們認定這是早白堊紀的被子植物。

孫革和他的同事們決定在東北繼續(xù)尋找植物化石,這一找就是6年。1996年,孫革發(fā)現(xiàn)一塊化石上有如蕨類植物的枝葉,其實是螺旋狀排列的四十幾枚類似豆莢的“果”,他按捺激動繼續(xù)觀察,發(fā)現(xiàn)這些果中間還包覆著幾粒種子。

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研究人員在遼寧尋找化石 |  Wang and Zhou / The Jehol Fossils (2008)

種子被稱為“心皮”的結(jié)構(gòu)包裹著,這是無可爭議的被子植物結(jié)構(gòu),也是無可爭議的被子植物化石。根據(jù)地層定年,這一發(fā)現(xiàn),把被子植物的起源時間前溯到了白堊紀早期或侏羅紀晚期。

孫革和發(fā)現(xiàn)者們再接再厲,接下來的兩年時間,他們在發(fā)現(xiàn)地附近采集了1000多塊伴生的植物化石,以及8塊同樣的被子植物化石。1998年,這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表于Science雜志,他們?yōu)檫@些植物取名為“古果”(Archaefructus),最初發(fā)現(xiàn)的化石植物學名為“遼寧古果”Archaefructus liaoningensis)。他們將古果定位為此前發(fā)現(xiàn)的所有被子植物的姐妹群,也就是最早與其它所有被子植物祖先分道揚鑣。

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古果屬植物的復原圖 | Taylor et al. / Paleobotany (2009)

遼寧古果的發(fā)現(xiàn)把被子植物起源的時間往前推了,也意味著被子植物分化、爆發(fā)其實并沒有達爾文時代人們推測的那樣短和“突然”。但是“惱人之謎”本身并沒有終結(jié)。

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仍待解答的惱人之謎

上世紀60年代之后逐漸成熟的分子生物學技術,讓科學家終于可以利用現(xiàn)存生命這一時空膠囊,去探索古代生命的秘密。通過現(xiàn)存生命的DNA,就可以建立起系統(tǒng)發(fā)育樹作為框架,用化石標定年份成為“分子鐘”,去探索物種演化和時間之間的秘密——如果打個比方的話,就是我們無法親眼見到一個遠古巨獸,但通過巨獸遺留的骨骼和骨骼之間的組成關系(也就是植物DNA建立的系統(tǒng)發(fā)育關系),我們完全可以建立模型,推算出巨獸的大小。

2019年,中科院昆明植物所李德銖團隊用2881個被子植物物種的質(zhì)體基因組構(gòu)建了覆蓋絕大多數(shù)被子植物類群的系統(tǒng)發(fā)育關系,將現(xiàn)生被子植物起源時間提前到了兩億年前的中生代三疊紀晚期,依然遠早于最早的被子植物化石記錄。這一研究將問題用堅實的數(shù)據(jù)擺了出來:中生代早期的被子植物化石存在巨大的空缺。

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遼寧古果的化石 | Taylor et al. / Paleobotany (2009)

為什么至今沒有三疊紀至早侏羅紀證據(jù)確鑿的被子植物化石被發(fā)現(xiàn)?這些古被子植物究竟去了哪里,而竟然在上億年的時間里留下了這么大的空白?

近年來有不少聲稱為最古老的被子植物化石被發(fā)現(xiàn),但多數(shù)引發(fā)了劇烈的爭議和質(zhì)疑,“惱人之謎”依然隱藏在迷霧中。關于遼寧古果卻有了更多新的研究進展。比如它存在的時間被重新定為1.24億年左右,比此前認定的1.45億年晚了一些;遼寧古果從形態(tài)上看很可能是水生植物,而古植物學家們普遍認為最早的被子植物可能不會是水生植物,因此有學者將遼寧古果的系統(tǒng)學位置重新錨定,認定為睡蓮祖先的近緣植物。遼寧古果的果實結(jié)構(gòu)也有不同的解讀:它那長長的結(jié)著“果莢”的結(jié)構(gòu),也許不是長長的果而是果序……

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白堊紀晚期,植物世界欣欣向榮 | Karen Carr / Australian Museum

但所有這些研究,都未能推翻的一個事實是,這依然是人類至今發(fā)現(xiàn)的、時間定年最早的、無可爭議的被子植物化石。

早白堊紀的那個湖邊,一朵花開了。

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