近日，由云南大学古生物研究院冯卓带领的植物古生态团队利用多种技术，结合现生植物与化石植物的对比研究，证实2.5亿年前的植物已具有很强的硅生物矿化能力，首次为植物在地球系统演化过程中的改造作用提供了直接的化石证据。相关成果以“Fossil evidence for silica biomineralization in Permian lycophytes”为题，发表在著名学术期刊National Science Review（《国家科学评论》）。
自4.7亿年前植物“登陆”以来，植物无时无刻不以其独特的方式默默地改造着地球的各个圈层，使地球逐步演变成我们今天的宜居家园。植物通过光合作用吸收二氧化碳、释放氧气，这一生理代谢过程改变了地球大气圈的大气组成，在降低二氧化碳含量的同时提高氧气含量，使早期地球上长期存在的高二氧化碳和贫氧环境发生了彻底转变。植物还有一种特殊的生理代谢能力，能够吸收环境中的硅元素，并将二氧化硅沉淀在体内或体表，这一过程被称为植物的“硅生物矿化作用”。经过植物矿化作用后，二氧化硅的溶解性得到极大提高，植物死亡后，这些二氧化硅通过地表径流进入海洋循环，为海洋中的浮游微生物（尤其是硅藻）提供营养，促进海洋中的碳循环过程，并进一步消耗大气中的二氧化碳。
图1 2.5亿年前卷柏叶片化石
硅生物矿化作用对植物本身也有诸多好处。我们一定还记得小时候听到的鲁班发明锯子的故事：鲁班被草划破了手并得到启发，从而发明了锯子。这是因为禾本科植物具有很强的硅生物矿化能力，因此在叶片里沉淀了大量微型的“玻璃碴”，这些锋利的玻璃碴就是植物矿化作用的代谢产物——植硅体。有了植硅体，植物体的韧性和强度大大增强，植物的抗倒伏能力、抗病虫害能力也得到显著提高。
图2 2.5亿年前卷柏叶片原位保存的植硅体
科学家通过现生植物的形态学、解剖学和基因组学研究发现，在今天的植物界，卷柏、木贼、禾本科、莎草科以及一些蕨类植物具有很强的硅矿化能力，并能在体内和体表形成大量植硅体，而松柏等裸子植物的硅矿化能力很弱。分子生物学和化石记录证实，卷柏在长达3.7亿年的演化历史中十分保守，几乎未发生任何变化。因此，科学家提出，植物的硅生物矿化作用在植物演化的早期就已存在，并对早期地球系统演化产生了深远影响。但由于缺乏直接的化石证据，我们一直对植物硅生物矿化作用的演化及其对地球系统的改造作用并不了解。
云南大学古生物研究院冯卓研究员带领团队，在云南曲靖富源地区二叠纪地层发现了百余件保存良好的卷柏叶片化石。基于形态学、解剖学以及原位元素能谱分析（SEM-EDX）等方法，并结合现生卷柏的对比研究，证实了这些2.5亿年前的化石卷柏已经具有很强的硅生物矿化作用能力，首次为植物改造早期地球系统演化提供了直接的化石证据。
图3 2.5亿年前卷柏叶片化石SEM-EDX能谱分析
值得一提的是，冯卓团队发现的卷柏化石是以角质层方式保存的标本。在传统的研究方法中，为了加快实验进度，这种保存类型的化石材料都需要通过高浓度的强酸（氢氟酸、盐酸）和强碱（氢氧化钾、氢氧化钠）等试剂处理。由于二氧化硅极易溶解于氢氟酸，所以传统的实验方法无法获得原位保存的植硅体标本。为了解决这个问题，冯卓团队在研究过程中使用盐酸处理样品，并对样品进行了适当的加热处理，这种方法比传统方法费时得多，实验周期通常要数个月才能完成，但却能获得完整的原位保存的植硅体标本。冯卓团队采用的实验方法对未来科学家揭示植物的硅生物矿化作用的起源、演化及其在地球系统演化过程的作用提供了重要参考。
古生物研究院冯卓为论文第一作者和通讯作者，研究得到国家自然科学基金委、云南省科学技术厅、云南大学等联合资助。
论文连接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwae368/7829289
来源 | 古生物研究院
编辑 | 杨朝钧
审核 | 李哲
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