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一朵1500萬年前的花 能讓我們接近花朵演化的真相嗎

2020-10-14      來源: 科技日報   VIEW:



丁氏花復原圖

包含1500萬年前丁氏花的琥珀 受訪者供圖

雍容華貴的牡丹、冰肌玉骨的水仙、出汙泥而不染的荷花……千百年來,人們用詩詞、歌曲、繪畫、影像作品讚美花朵的芬芳美麗、賦予牠們深刻的寓意。

但是,植物學家卻在思考:這些美麗的花朵從何而來,又是如何演化的?

百餘年來,達爾文的生物進化論深入人心,但花朵的演化史卻是植物學家的難解之題,花朵演化之謎甚至被《科學》雜誌列為125個世界級科學難題之一。

植物學界猜測認為,花是一個縱向壓縮的枝。這得到很多植物學家的認可,也得到現代植物學研究的支持,相關化石證據卻一直缺席。

記者1010日從中國科學院南京地質古生物研究所獲悉,該所王鑫研究員領導的國際團隊合作完成的論文《中新世琥珀里的獨特化石為花朵演化提供新的啟示》于近日發表在《古昆蟲學》上。他們在一塊1500萬年前的多美尼加琥珀中發現了一種奇特的花朵化石——五數丁氏花。化石清晰地呈現出該花是一個縱向壓縮的枝,為花朵演化提供了重要證據。

花朵其實是被子植物的生殖器官

花朵之所以具有觀賞價值,主要由於婀娜多姿、顏色豔麗的花瓣。花瓣也成為區分不同花朵的顯著特徵之一。

但是在植物學家眼裡,花朵只不過是一個用來繁殖下一代的器官,因此他們更加關注產生生殖細胞的雄蕊與雌蕊,這對於花的繁殖演化具有重要作用。

「典型的花,一般由花柄和著生其上的花萼、花瓣、花蕊組成,花蕊又分為雄蕊與雌蕊。」王鑫告訴科技日報記者。

對植物學稍有瞭解的人還會發現一個奇怪的現象,部分花朵沒有花瓣,比如金粟蘭。倘若林黛玉樹下葬花,遇到的是這樣的花朵該如何是好呢?

翻開植物演化教材我們會發現,與地球45億年歷史、最早植物苔蘚數億年歷史相比,花朵出現的時間並不長,只有約一兩億年。

「現在人們通稱的花朵,實際上是被子植物的生殖器官。在被子植物出現之前,用孢子繁殖的苔蘚和蕨類植物已在地球上生長了幾億年。」王鑫介紹說。

被子植物,即開花植物,堪稱植物世界的王者。它是當今植物界中進化程度最高、種類最多、分布最廣、適應性最強的類群。現知全世界被子植物共有30多萬種,占植物界總數的絕大多數。

從現代基因學角度來看,花朵的發育本質上受到幾個基因的控制,大致分為控制花萼、花瓣和花蕊的3類基因,科學家依照遺傳學提出了花發育的ABC模型。不同的基因表達,決定了不同類群植物的花的大致結構,最終發育成我們所看到的花花世界。

神秘琥珀化石證實科學猜想

20025月,中國科學院南京地質古生物研究所孫革研究員團隊在《科學》雜誌刊發論文稱,他們發現了一種距今約1.25億年前的開花植物化石,並命名為中華古果。

在人們的眼裡,古果更像是草本植物,因為它雖具有花的繁殖器官,卻沒有色彩奪目的花瓣。與現代花朵不同的是,它的果實、雄蕊分布在一個長軸上,看起來像一棵水草。

王鑫告訴記者:「植物學界很久以來有一個說法,認為花是一個縱向壓縮的枝,但是卻一直找不到相關的化石證據。僅有一個古果,還不能描述完整的花朵演化史,所以難免有人對之前的猜測將信將疑。」

但是,在中國科學院南京地質古生物研究所、福建農林大學、西班牙比戈大學、遼寧撫順琥珀研究所的5位學者共同努力下,他們在約1500萬年前的琥珀化石中發現了一種奇特的花。

王鑫將其命名為丁氏花。丁氏花化石很小,只有3—4毫米,鑲嵌在一塊中美洲多美尼加中新世地層中出產的琥珀里。

由於琥珀良好的保存狀態,利用現代先進的微CT技術,研究人員可以清晰地觀察到丁氏花的主要特徵:連接到花軸上的苞片、花被片、雄蕊和雌蕊4輪器官。

令他們驚訝的是,與一般花朵的花萼、花瓣、雄蕊、雌蕊幾乎從同一點上生長出來不同,這種遠古花朵似乎經過了「縱向拉伸」,花朵中的各個器官,上下依次生長在一個花枝上。

從王鑫提供的復原圖來看,該花具有5枚邊緣相扣的花被片,10枚向內彎曲的雄蕊,中央是帶有彎曲花柱的雌蕊。每枚雄蕊有一根很長的花絲,其頂上有一個包含4個藥室的花藥。

丁氏花屬於大家比較常見的真雙子葉植物。2018年,王鑫帶領的科研團隊發現的靜子花,已經把真雙子葉植物的歷史追溯到大約1億年前的白堊紀中期,但是這些花朵是如何演化而來的卻一直缺乏有意義的化石證據證實和支持。

「雖然丁氏花年代較新,但是它的獨特形態首次表明,幾百年來人們關於花的本質的猜想,可能是合理的,即花是一個縱向壓縮的枝。」王鑫說道。

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丁氏花的命名是為致敬丁石孫先生

王鑫介紹,該化石之所以命名為丁氏花,是為了紀念前北京大學校長、我國著名數學家丁石孫先生。

「我們用丁氏花命名這個來自遠古的化石花朵,以此致敬和告慰永遠的丁石孫校長,感謝他用民主科學的學術氛圍和堅定執著的人生追求,幫助我們解開了世界級的科學謎題。」王鑫說道。

目前,這塊解開百年科學猜想的化石保存於撫順琥珀研究所。作為一家民辦機構,撫順琥珀研究所能夠獲得丁氏花琥珀化石也是可遇不可求。

2011年春天,深圳同行帶著一位多明尼加的琥珀經銷商來到撫順琥珀研究所,計畫銷售一批琥珀標本給研究所做科學研究用。

計畫中的琥珀標本並未讓撫順琥珀研究所所長范勇眼前一亮,但他卻在其他客戶預定的琥珀化石中發現一批非常稀有的花朵標本。范勇敏感地意識到這批標本具有重要的科學價值,想留下來開展研究。但是被多明尼加經銷商一口回絕。經過一路追蹤,范勇花了一週時間與深圳的客戶商談,最終獲得了其中幾個花朵標本。

2013年,王鑫來到撫順琥珀研究所,在眾多的琥珀標本中發現了這件奇特的花朵標本,經范勇同意帶回南京研究。經過多年的探索和實驗,王鑫和他的團隊最終破解了花朵演化之謎,於2020年推出了古生物學的重大研究成果。

「長久以來,人們一直想搞清楚花是怎麼來的。丁氏花的發現給我們提供了一條非常重要的線索,這個證據和結論不僅有利於確認人們關於花朵本質的解讀,而且有利於人們理解原來看似怪異的早期被子植物化石(如遼寧古果、雨含果)。不久的將來,我們也許能澈底解開花的演化之謎。」王鑫告訴記者。(記者 張曄)

 

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