解密最古老树木的生长模式

▲徐红河野外采集化石

▲徐红河在解释化石。

本报记者沈春雷通讯员陈

古代的森林是什么样的？最早的树和今天的树一样吗？世界上最古老的树木和森林是什么时候出现的？

现代森林中有许多我们熟悉的树木，但是古代的森林是什么样的呢？最早的树和今天的树一样吗？世界上最古老的树木和森林是什么时候出现的？

经过五年多的发现和验证，由中国科学院南京地质古生物研究所研究员徐红河带领的中外科研团队，利用*塔城地区晚泥盆世(约3.7亿年前)地层中最早的硅化木化石，构建了地球上最古老树木生长的理论模型。10月24日，《美国国家科学院院刊》(PNAS)在网上公布了该团队的最新研究成果。

徐红河告诉《中国科学》记者，“我们在古植物学领域进行了理论研究，这对早期陆生植物的进化、陆生生态系统的发展以及现代生物学的相关研究具有重要的参考价值。”

证实了最早森林的出现。

1870年，在纽约州吉尔波市阿市的一个采石场，工人们在采石和爆破时发现了一个直径约一米的化石树干。这是最早的化石树的首次出现。因为它只是树桩底部的一个化石，所以当时的科学家只能粗略地勾勒出这棵树的原貌，而不能说出它生长的细节。

2004年，美国纽约州立博物馆的古生物学家在吉尔波附近发现了一组代表一棵完整树的化石，包括完整树冠的碎片和大量树桩。一年后，他们在同一个地方发现了更多化石。

这些化石都属于瓦提萨树种(树蕨)，它们最终拼凑出了最早的森林树木的完整形式徐红河说，“研究发现，这一化石群代表了最早的树木。它有4 ~ 5米高，形状类似于现代棕榈树。它出现在大约3.8亿年前的中泥盆世晚期

泥盆纪作为一个地质时代，尤其是中泥盆世至晚泥盆世(约3.9亿至3.6亿年前)，是陆生植物演化和分化的重要时期。古环境发生了剧烈的变化，大气中的二氧化碳浓度大大降低。这个地质时期也是陆地生态系统发展和完善的关键节点。

徐洪河指出，中国和世界其他国家的化石表明，除了树蕨外，最古老森林中的树种还包括树杈、古蕨类等，这些植物从中泥盆世晚期到泥盆世逐渐在地球上繁盛起来。

随着地球上最早森林的出现，大气中二氧化碳的浓度以地质历史上最大的幅度下降。到了晚泥盆世，那时森林已经扩展到世界上主要的陆地，大气中二氧化碳的浓度已经下降到与现代相当的水平，最早的四足动物(两栖动物)已经适应了陆地生活。

徐洪河指出，中泥盆世陆地生态系统的完善和发展，对包括人类在内的所有陆地生物的起源和进化都产生了深远的影响。

古森林中的奇异树木

古植物学家通过来自纽约和美国其他地方的化石材料证实，最早的森林出现在中泥盆世晚期，主要由分支蕨类植物组成。徐红河说，枝蕨的显著特征是其解剖结构中有许多分枝的木质部束。“这些古树和我们现在知道的树非常不同。例如，在中国最常见的树是树状松树，它有非常大的根系，通常有向下分叉的根系

通过观察化石，徐红河发现这些古树的树皮上留下了许多菱形图案，中间有一个类似“肚脐”的形状。他解释说，这是树枝上的“基部”，是由像树一样的松树生长时落下的叶子形成的。

这些树状石松的解剖结构是独特的。作为树木最重要的木质部，它们在这些石松的树干中非常小，树木的髓部也非常小。在显微镜下，它们的大部分粗壮的树干是由树木的皮层组织构成的，而现代的树木结构则完全不同于此。

植物的生长包括两个方面:高度的增加和厚度的增加。只有达到一定厚度的植物才能高到足以形成森林。”徐洪河指出，在此之前，形成最早森林的蕨类植物化石只是通过铸造和压制保存下来的化石材料，只有通过这些材料才能了解植物的外部形态。

植物的解剖结构记录了植物的生长和发育信息。只有通过研究植物的解剖结构，我们才能了解植物的生长过程，尤其是重要的植物是如何浓密生长的。徐红河说:“组成泥盆纪森林的植物往往具有相似的外部形态，但它们的内部解剖结构和生长模式却有很大的不同。”

枝孢属“骨骼”的研究

" 2012年，我和王毅、唐鹏、付强等人在*塔城发现了一种小型分支蕨化石."徐红河说，2015年，他们在*无人区发现了最大直径为70厘米的硅化保存枝蕨化石标本，这是最早的硅化木材。"这些珍贵的化石也为我们的研究提供了科学依据."

在此期间，该团队还与英国卡迪夫大学的c. mberry博士和美国纽约博物馆专门从事植物解剖学研究的w. stein教授合作，对*塔城地区晚泥盆世硅化蕨类植物化石进行了理论研究。

据报道，*发现的最早的硅化木材具有独特的内部结构。至少30个独立的茎维管束交错排列形成双环圆柱形维管束组。维管束群的外围被根覆盖。这些维管束有明显的次生木质部和加厚生长，也有生长环(年轮)。这种分支蕨类植物的茎维管束相互交织，形成一个复杂的三维网格。在植物体的生长过程中，通过增加单茎维管束的直径，不断分裂新根，改变维管束群的三维网格结构，从而完成加厚生长。与此同时，植物也变得越来越高。

徐红河说，虽然这些在*硅化作用中保存下来的化石不是地球上最早的分支蕨类植物，但通过对其内部“骨骼”的研究，可以确定分支蕨类植物群的加厚生长模式，并建立所有分支蕨类植物的生长模型。

“我们还发现，组成早期森林的分支蕨类植物的增厚生长与现代植物中的一些单子叶植物相似。”徐红河说，“虽然我们不是森林的第一个发现者，但我们的理论模型适用于构成世界上早期森林的所有蕨类植物。”

《中国科学日报》(第六版，2017年11月6日)