4.8億年前 它們改變了世界?

2021年08月19日13:10

  有一種非常有意思的現象被稱為“植物失明”,它說的是,儘管陸地植物占到了地球生物量的八成,我們卻會不由自主地忽視它們。

  然而,植物的重要性遠超我們的想像。大約5億多年前,當植物首次從淡水藻類進化到陸地上時,它們徹底改變了地球。

  植物從空氣中吸收二氧化碳,使地球冷卻,它們侵蝕岩石表面,幫助創造出了如今覆蓋了大片陸地的土壤。最終,地球大氣和地表的這些變化為我們所知的生物圈的進化鋪平了道路。

  這些先鋒的陸地植物被認為從藻類進化而來,它們通常個頭很小,長得可能像苔蘚一樣。當時,想要在陸地上生存,它們必須克服兩大挑戰:避免乾涸,並且承受住太陽刺眼的紫外線。然而最終,植物成功了,也才有了如今這顆生機勃勃的星球。

  近日,在西澳州北部坎寧盆地的岩石樣本中,科學家發現了4.8億年前來自早期陸地植物的孢子化石以及它們祖先的水生藻類的孢子。這是目前發現的最古老的陸地植物孢子化石。

  這一發現為我們提供了新的線索,瞭解植物何時何地從水中“走”向了陸地,以及它們是如何生存下來的。研究已於近日發表在《科學》雜誌上。

  對植物最早在陸地上定居的時間估計主要有幾種方式。比如,科學家可以研究植物的大化石遺骸,也就是一些不需要顯微鏡就可以研究的化石標本;他們還能利用不同物種進化所需時間的進行推算,就是所謂“分子鐘”數據;有時候,他們還可以從植物孢子的化石記錄中尋找線索。

  分子鐘的研究表明,植物的陸地定居大約發生在5.15億年前(寒武紀)。但陸地植物的第一個大化石證據卻晚得多,它來自一種原始維管植物頂囊蕨(Cooksonia)的標本,它們生活在4.25億年前左右(中誌留世)。

頂囊蕨的藝術家暢想圖。|圖片來源:Matteo De Stefano/MUSE via Wiki under CC BY-SA
頂囊蕨的藝術家暢想圖。|圖片來源:Matteo De Stefano/MUSE via Wiki under CC BY-SA

  這些早期的小型植物並沒有根系或者堅硬的木質組織,這可能解釋了為什麼它們的化石非常罕見。

  此外,研究人員還可以觀察植物的孢子。孢子是攜帶者遺傳物質的簡單生殖單位,它們比種子要簡單得多,而種子是直到很久之後才進化出來的。

  為了成功繁衍後代,陸地植物的孢子壁必須足夠堅固,從而抵禦乾燥的環境和紫外線輻射的破壞。這些具有保護作用的孢子壁同樣讓孢子可以在古老的沉積物中保存數億年。這給科學家留下了一些線索。他們可以借助強酸從這些沉積物中將孢子化石提取出來,然後在顯微鏡下研究孢子的形狀。

  在之前的研究中,科學家已經注意到,最早的陸地植物的孢子往往呈現出幾乎規則的幾何排列,它們通常由兩個或四個細胞組成。

  而一些更為古老的淡水藻類的孢子則不同,它們常是不規則形狀的“細胞團”。幾年前,古植物學家Paul Strother和團隊已經證明,他們找到的一些約5.05億年前的古老孢子很可能來自一類名為輪藻的半水生的淡水藻類。

  石灰岩中保留了輪藻植物微化石。|圖片來源:James St。 John via Flickr under CC BY

  先前已經發現的一些較古老的陸地植物孢子,包括上90年代初於坎寧盆地發現的約4.4億至4.45億年前的化石,以及2016年發現的擁有4.6億年歷史的化石。從當地的一些貝殼類化石證據不難看出,這一時期的坎寧盆地沉積主要來自海洋環境。

  在這項新研究中,科學家繼續對這片區域進行探索。2020年,澳州地球科學局與西澳州地質調查局合作,在盆地的南部鑽井采樣,希望進一步瞭解地下岩石的地質情況。

  研究人員從早奧陶世(4.7億至4.85億年前)的納姆貝特組中提取了岩石樣品後,發現了具有典型規則排列的兩個或四個細胞的陸地植物孢子。

  同時,他們還檢查了於1958年鑽探出的納姆貝特組原始剖面中的一些植物孢子。這些樣品已經被精心製成了玻片,並很好地保留了下來。

  在這些樣品中,他們發現了這一時期更豐富的記錄,一些孢子的形態具有陸地植物孢子的特徵,而還有一些則更類似輪藻這類藻類祖先。

此次研究中發現的新孢子,在形態上具有一種“承上啟下”的特點。(寒武系、奧陶系及誌留系分別為寒武紀、奧陶紀和誌留紀的對應地層。)|圖片來源:Paul Strother via The Conversation

  換句話說,陸地植物及其藻類祖先在同一時期存在於同一片區域里。研究人員認為,這很有可能說明,陸地植物的起源並非一個單一事件。

  他們猜想,最早的陸地植物要麼是通過“水平基因轉移”(細菌將基因從一個生物轉移到另一個生物體內)捕獲了祖先藻類基因組的一部分,從而獲得了耐旱以及抵禦紫外線傷害的能力,或者,它們可能自行發展出了具有類似功能的基因,能在陸地上繼續生存。

  這些具有約4.8億年歷史的化石,縮小了有關植物陸地定居的分子鐘估計和化石證據之間的時間差。它們也是目前發現的最古老的陸地植物的化石證據。科學家從中也能看到一條更清晰的進化曆程,植物從簡單走向了複雜。

  接下來,科學家希望進一步研究,確定寒武紀晚期和奧陶紀時期澳州沉積中出現其他藻類和陸地植物孢子的位置。新的數據也有望揭示陸地植物究竟起源於何處。

  他們相信,化石記錄中還有許多來自遠古的信息等待我們揭開。

  #創作團隊:

  文字:Måka

  #參考來源:

  https://theconversation.com/480-million-year-old-fossil-spores-from-western-australia-record-how-ancient-plants-spread-to-land-166016

  https://www.the-scientist.com/news-opinion/discovered-fossilized-spores-suggestive-of-early-land-plants-69085

  https://cosmosmagazine.com/nature/evolution/plants-evolved-from-alg/

  #圖片來源:

  封面來源:Paul Strother

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