許漢奎

尋找最早登陸的植物

許漢奎

地球上的生命起源于海洋，目前所知最早出現(xiàn)的生命是距今35億年最低等的植物——藍(lán)藻和細(xì)菌類，它們都很原始，僅有細(xì)胞膜和原生質(zhì)的原核細(xì)胞，盡管其大小僅有幾個(gè)微米，甚至不足1微米（1毫米等于1000微米），如一些細(xì)菌，但卻能形成化石，最早的化石目前僅發(fā)現(xiàn)于澳大利亞北部的硅質(zhì)疊層石中。到了距今19億年前，真核細(xì)胞才開始出現(xiàn)，即細(xì)胞內(nèi)有了細(xì)胞核，最早的真核細(xì)胞化石見于加拿大的燧石層中。到了距今約12億年前，多細(xì)胞的藻類終于出現(xiàn)了，最早的化石產(chǎn)于河北薊縣假鐵嶺疊層石中。從原核細(xì)胞到多細(xì)胞藻類，到植物登陸整整花了近30億年，這是多么漫長的時(shí)間。相反，植物登陸之后，由于陸地的生態(tài)環(huán)境瞬息萬變，它們?yōu)檫m應(yīng)環(huán)境，不得不加緊應(yīng)對(duì)，所以在幾億年間就從低等植物的藻類，迅速進(jìn)化出屬于高等植物的苔蘚類和蕨類植物，進(jìn)而出現(xiàn)了繁盛于中生代的裸子植物和蓬勃發(fā)展于新生代的被子植物，所以說如果沒有早期植物的登陸，也就沒有今天極其繁茂和五彩濱紛的植物世界。植物的登陸不僅使大地披上綠妝，而且由于植物的光合作用，使地球大氣中氧的含量迅速增長，更為重要的是，植物登陸為后來動(dòng)物登陸創(chuàng)造了條件，它們?yōu)閯?dòng)物登陸提供了食物和生存環(huán)境，特別是促使脊椎動(dòng)物的魚類（總鰭魚、肺魚類)登陸，進(jìn)而迅速進(jìn)化為兩棲類→爬行類，直至哺乳類，包括人類，所以沒有最初植物的登陸，也就沒有今天，所以植物登陸是生物進(jìn)化史劃時(shí)代的事件。正因?yàn)槿绱?，植物是何時(shí)登陸？何種植物先登陸？即陸生植物的起源一直是古植物界關(guān)矚的熱點(diǎn)，它也是古植物起源三大謎之最，余者為裸子植物和被子植物的起源。

一、蕨類植物最先登陸？

我國古植物學(xué)家蔡重陽在《陸生植物起源》一文中指出，原始蕨類植物登陸已具備了3個(gè)條件：①它具有維管組織，可從土壤中吸取水份和礦物質(zhì)，并將光合作用的產(chǎn)物等輸送到植物體各個(gè)部分；②植物體表面存在具有氣孔的角質(zhì)層，以調(diào)節(jié)水分的蒸發(fā)；③孢子囊所產(chǎn)生的孢子具有特定的三射線。所以它們可在陸地繁衍、生長。至于在何時(shí)、何地登陸一直是未解之謎。過去認(rèn)為最早的蕨類植物出現(xiàn)在距今4.1億年前的早泥盆世，因1912年在英國蘇格蘭東北部的瑞尼小山村，發(fā)現(xiàn)一些奇特的硅質(zhì)巖，在巖石薄片中，可以見到很多植物的莖軸和根狀莖，而且均保存完好的植物細(xì)胞，包括陸生植物特有的輸水管胞。這些硅質(zhì)巖的年代距今約4.1億年前的早盆世。1917年至1921年經(jīng)進(jìn)一步研究，它們包括了瑞尼蕨、羊角蕨等5種原始蕨類。由于這一重要發(fā)現(xiàn)，瑞尼小山村已成為蘇格蘭的自然遺產(chǎn)地，并蜚聲國際古生物界。

隨著世界各地化石的發(fā)現(xiàn)，最早期的蕨類植物應(yīng)早于早泥盆世，因1937年在英國威爾士地區(qū)發(fā)現(xiàn)了志留紀(jì)晚期，距今4.2億年前的頂囊蕨，這種植物枝細(xì)小，簡(jiǎn)單二歧分叉，孢子囊在二分枝的頂端，孢子囊內(nèi)具有三射線的孢子。這種蕨類后來在美國、加拿大、利比亞、原捷克斯洛伐克及俄羅斯又陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。不過后來重新研究最初確定的威爾士頂囊蕨竟發(fā)現(xiàn)其莖軸并不具維管組織，因而難確定是否是真正的蕨類。1980年英學(xué)者報(bào)道了愛爾蘭中志留世地層中（距今4.25億年）發(fā)現(xiàn)了頂囊蕨型孢子囊標(biāo)本中厚壁細(xì)胞，但并未發(fā)現(xiàn)管胞和原位的三縫孢，因此仍難于確定是否是蕨類。1935年英學(xué)者在澳大利亞的晚志留世地層中也曾發(fā)現(xiàn)了長葉巴拉萬木，這化石具有二岐分叉、葉呈螺旋狀排列，孢子囊著生于葉腋或葉間，具三縫孢等重要特征，現(xiàn)已表明它們確為陸生的蕨類化石，從而把植物登陸定格在距今4.2億年前的晚志留世。

1972年，研究人員在貴州鳳岡縣志留紀(jì)地層中發(fā)現(xiàn)一些奇怪化石，后經(jīng)中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所李星學(xué)院士和蔡重陽研究員鑒定，認(rèn)為是植物化石，但未定其屬種。1975年，中國科學(xué)院植物研究所耿寶印在該地采了許多此化石，并于1986年命名為黔羽枝。由于事關(guān)重大，所以1990年以來蔡重陽等又多次去該地考察，并發(fā)現(xiàn)黔羽枝與褐藻和綠藻有些相似，但據(jù)其枝發(fā)育具緣紋孔管胞，緣紋孔梯狀和互生排列等特征認(rèn)為確屬蕨類植物。1996年蔡重陽、王懌等在英國權(quán)威雜志《自然》上，發(fā)表了產(chǎn)于早志留世晚期、距今4.3億年的黔羽枝，立即在古植物界引起廣泛矚目，但也有些國外學(xué)者對(duì)此有疑問。2002年該所王懌研究員等與外國學(xué)者再次赴貴州考察，不僅采到珍貴的黔羽枝，而且確定其時(shí)代無誤。這樣植物登陸的時(shí)間就推前至距今4.3億年的早志留世（見圖1-2）。而且地點(diǎn)在貴州。

至于原始的蕨類是否是藻類進(jìn)化而來，現(xiàn)難于確定，盡管黔羽枝與綠藻類某些屬的形態(tài)十分接近，但它畢竟具有先進(jìn)的維管組織，與藻類區(qū)別仍很大，故它屬高等植物，而藻類屬低等植物，兩者也未發(fā)現(xiàn)有過渡的屬種。故多數(shù)學(xué)者認(rèn)為最早登陸的是蕨類植物，但也有學(xué)者持懷疑。

二、最早登陸者可能是苔蘚植物？

苔蘚植物雖與蕨類同為高等植物，但它比蕨類原始的多。苔蘚植物門可分為苔綱和蘚綱，苔綱其植物體保存著低等植物所特有的葉狀體的外部形態(tài)，沒有明顯莖葉之分，形體細(xì)小，作平匍分叉生長；而蘚綱的植物體有明顯莖、葉之分，直立生長，但因無維管組織，所以長不高，一般在10厘米之下，最高也不超過50厘米。葉多作螺旋狀排列，葉上有原始的葉脈，莖簡(jiǎn)單或分叉，所以苔蘚植物是高等植物中最原始的，過去曾把它歸于低等植物。

認(rèn)為苔蘚植物是最早登陸者的理由如下：①原始的蕨類可能是從苔蘚類進(jìn)化而來，因這兩類植物的形態(tài)和習(xí)性有些相似，且關(guān)系較密切，而原始蕨類與藻類相隔較遠(yuǎn)，兩者之間缺少中間類型，而苔蘚類與藻類較接近，故認(rèn)為苔蘚可作為藻類至蕨類的中間類型；②苔蘚植物雖為陸生植物，但它喜愛潮濕多水，不過也有些屬種可耐干旱，也可在高山上生長，甚至可在陽光暴曬的裸露的巖石上生存，它們能分泌酸性物質(zhì)，從而緩慢溶解巖石，逐漸將其變成土壤，不僅滿足了自己生存的需要，也為其他植物創(chuàng)造了生存環(huán)境，所以它應(yīng)成為植物登陸的開路先鋒；③苔蘚植物適應(yīng)惡劣環(huán)境能力更強(qiáng)，有人曾做過實(shí)驗(yàn)，把苔蘚植物體磨成粉末，然后撤在土壤中，居然每一個(gè)營養(yǎng)細(xì)胞都能長成一個(gè)新的個(gè)體。還有即使將苔蘚植物制成標(biāo)本，它也能保持?jǐn)?shù)年不死，把它浸泡在水中又能復(fù)活。而且在極寒的北極和南極它們也能生長。有種泥炭蘚竟能吸收自身重量10—25倍的水份，比吸水能力很強(qiáng)的脫水海綿高2—2.5倍（見圖4）。這充分說明它比蕨類植物更能適應(yīng)地球早期惡劣的環(huán)境；④苔蘚植物也是靠孢子來繁衍后代的，有人曾從寒武紀(jì)地層中分析出它們的孢子化石，如果這一成果確實(shí)成立，那么植物登陸時(shí)間即可推前至5億年前。

遺憾的是苔蘚化石在地史上極罕見，最早的苔類化石發(fā)現(xiàn)于英國晚石炭世（距今約3億年）的煤層中，標(biāo)本雖然沒有孢子體，但植物體的一般形態(tài)和細(xì)胞構(gòu)造和現(xiàn)代的苔類屬種較相似，但有學(xué)者對(duì)此成果持有異義。較為可靠的苔類化石是發(fā)現(xiàn)于英國的晚三疊世和格陵蘭的早侏羅世（即距今約2億多年和1.9億年）。我國發(fā)現(xiàn)似苔類葉狀體化石是在晚二疊世（距今約2.6億年）和三疊紀(jì)。最早的蘚類化石也是發(fā)現(xiàn)于晚石炭世，不過真正可靠的，公認(rèn)的蘚類化石是發(fā)現(xiàn)于第三紀(jì)，即距今6000多萬年之前。我國尚未發(fā)現(xiàn)蘚類化石，正由于從化石上尚無法提供苔蘚植物登陸的確切依據(jù)，所以說它是最早登陸者還為時(shí)過早。

三、最早登陸者是地衣

地衣是一種很奇特的植物，盡管它分布極廣，包括沙漠和南北極，裸露的巖石上，甚至屋頂?shù)耐咂筒Ａ?，但人們?duì)它多不了解，因它緊貼地面，顏色也多暗淡，故極不惹眼。地衣是真菌和藻類的共生體，構(gòu)成地衣的真菌絕大部分屬子囊菌，少數(shù)為擔(dān)子菌和多孔菌，而藻類即多為藍(lán)藻和綠藻，即綠藻中的共球藻，橘色藻和藍(lán)藻中的念珠藻，它們占地衣藻類中的90%。這一共同體是由真菌的菌絲纏繞藻細(xì)胞，并包圍藻類，奪取藻類光合作用制造的有機(jī)物，并使藻類與外界隔絕，只能靠真菌供給水分，二氧化碳（CO2）和無機(jī)鹽。若兩者分離，藻類能生長和繁衍，但真菌就會(huì)餓死。地衣的繁殖主要靠真菌的孢子，孢子到處飛，遇到藻類，又可結(jié)合成一新的地衣；也可以一個(gè)或幾個(gè)藻細(xì)胞被菌絲裹住，隨風(fēng)飄散，到達(dá)新的地點(diǎn)又可長出新的地衣。地衣生長非常緩慢，數(shù)年內(nèi)才長幾厘米，但壽命卻非常長，如在北極巖石上的一小塊地衣經(jīng)測(cè)定已有數(shù)百年了，而且還將長期存活。

地衣是最早登陸者的理由很充分，如①真菌和綠藻雖是真核生物，但它們?cè)缭?9億年前已存在了，所以它們完全可以隨海侵進(jìn)入陸地，而當(dāng)海退時(shí)滯留在陸地上；②它們適應(yīng)環(huán)境的能力超強(qiáng)，有人曾把它放在真空條件下，在6年后竟還能保持活力，真不可思議。有實(shí)驗(yàn)證明地衣能忍受70℃左右的高溫，在-268℃的超低溫下放上幾個(gè)小時(shí)也不死，人們?cè)陔x南極點(diǎn)483千米的山峰上也發(fā)現(xiàn)生長得很好的地衣，所以它是生長在地球上最靠南的植物了；③它們可在裸露的巖石上生長，而且可以分泌出地衣酸來腐蝕巖石，使巖石逐漸變成土壤，所以它們才是不折不扣的“拓荒者”，并為其他植物登陸創(chuàng)造了條件（見圖5）；④地衣的生存能力極強(qiáng)，當(dāng)它們?cè)跇O不利的環(huán)境中，它們可以采取“休眠戰(zhàn)術(shù)”而躲過難關(guān)，如有的地衣在博物館陳列柜內(nèi)存放了15年，讓它沾上水，居然又活過來了。

盡管地衣作為最早登陸的植物理由很多，但由于至今未找到可靠的化石為依據(jù)，因此人們難于確認(rèn)，甚至有學(xué)者認(rèn)為地衣這種共生關(guān)系只存在7000萬年，既然它出現(xiàn)如此之晚，當(dāng)然也就不可能是最早的登陸者。其實(shí)最早的地衣化石是發(fā)現(xiàn)在距今4億年的泥盆紀(jì)，但由于這一時(shí)代比蕨類登陸的時(shí)代晚，加上它不起眼，所以并未引起重視。可喜的是中國科學(xué)院南京地質(zhì)古生物研究所著名微古植物專家袁訓(xùn)來研究員近年在貴州中部甕安縣考察時(shí)，竟然在距今6億年的陡山陀組海相地層中發(fā)現(xiàn)了地衣的化石。陡山陀組是一非常重要的地層，因在此地層的磷灰?guī)r發(fā)現(xiàn)了大量微植物的藻類和疑源類、甚至有世界最早期的動(dòng)物胚胎化石。2002年袁訓(xùn)來及該所疑源類專家尹磊明研究員等在多年研究的基礎(chǔ)上發(fā)表了重要專著《陡山沱期生物群》。盡管地衣是在巖石薄片中用顯微鏡所發(fā)現(xiàn)的，但保存較好，此科研成果發(fā)表在2005年美國權(quán)威的《科學(xué)》雜志，并立即引起了廣泛矚目，在國內(nèi)也給予極高的評(píng)價(jià)，所以在當(dāng)年成為國內(nèi)的十大基礎(chǔ)研究新聞之一，因?yàn)樗训匾禄魄傲?億年（見圖6）。雖然這一化石是發(fā)現(xiàn)在海相地層中（圖7、8），尚不能為地衣登陸提供直接證據(jù)，但根據(jù)地衣的特性，它既能生活于海底，也當(dāng)然可以生存在陸地，因它們可隨海侵進(jìn)入陸地，并從海退而滯留在陸地上，再依據(jù)它們頑強(qiáng)的生命力，完全可生存下來。只不過當(dāng)時(shí)的陸地太少了，或是能證明是陸地沉積的地層太罕見了，既便是年代晚一些的地層能證明是陸相，但它不易保存為化石也枉然。不過筆者深信在最早期的陸相地層中，如果能注意尋找它們的蛛絲馬跡，一定能夠發(fā)現(xiàn)，從而解決陸生植物起源的問題?！?/p>