近日，云南大學古生物研究院馮卓教授帶領的植物古生態團隊利用多種技術，結合現生植物與化石植物的對比研究，證實2.5億年前的植物已具有很強的硅生物礦化能力，首次為植物在地球系統演化過程中的改造作用提供了直接的化石證據。相關成果發表在著名學術期刊《國家科學評論》上。

自4.7億年前植物“登陸”以來，植物以其獨特的方式無時無刻不在默默地改造著地球的各個圈層，使地球逐步演變成我們今天的宜居家園。一方面，植物通過我們熟知的光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣，這一生理代謝過程改變了地球大氣圈的大氣組成，即降低二氧化碳含量的同時提高氧氣含量，使早期地球上長期存在的高二氧化碳和貧氧環境發生了徹底轉變。另一方面，植物還有一種特殊的生理代謝能力——吸收周圍環境中的硅元素，并將二氧化硅沉淀在體內或體表，這一過程被稱為植物的“硅生物礦化作用”。經過植物礦化作用后的二氧化硅的溶解性得到極大提高。植物死亡后，這些二氧化硅通過地表徑流進入海洋循環，為海洋中的浮游微生物（尤其是硅藻）提供營養，進而促進海洋中的碳循環過程，并進一步消耗大氣中的二氧化碳。

圖1. 晚二疊世（約2.5億年前）卷柏葉片化石

植物的硅生物礦化作用對植物本身也有諸多好處。我們一定還記得小時候聽到的魯班發明鋸子的故事：魯班被草劃破了手并得到啟發，從而發明了鋸子。這是因為禾本科植物具有很強的硅生物礦化能力，因此在葉片里沉淀了大量微型的“玻璃碴”，這些鋒利的玻璃碴就是植物礦化作用的代謝產物——植硅體。有了植硅體，植物體的韌性和強度大大增強，植物的抗倒伏能力、抗病蟲害能力也得到顯著提高。

圖2. 晚二疊世（約2.5億年前）卷柏葉片原位保存的植硅體

科學家通過對現生植物的形態學、解剖學和基因組學研究發現，在今天的植物界，卷柏、木賊、禾本科、莎草科以及一些蕨類植物具有很強的硅礦化能力，并能在體內和體表形成大量植硅體，而松柏等裸子植物的硅礦化能力很弱。分子生物學和化石記錄證實，卷柏在長達3.7億年的演化歷史中十分保守，幾乎未發生任何變化。因此，科學家提出，植物的硅生物礦化作用在植物演化的早期就已存在，并對早期地球系統演化產生了深遠影響。然而，由于缺乏直接的化石證據，我們一直對植物的硅生物礦化作用的演化及其對地球系統的改造作用并不了解。

云南大學古生物研究院馮卓研究員帶領團隊，在云南曲靖富源地區二疊紀地層發現了百余件保存精美的卷柏葉片化石。基于形態學、解剖學以及原位元素能譜分析（SEM-EDX）等方法，并結合現生卷柏的對比研究，證實了這些2.5億年前的化石卷柏已經具有很強的硅生物礦化作用能力，首次為植物改造早期地球系統演化提供了直接的化石證據。

圖3. 晚二疊世（約2.5億年前）卷柏葉片化石SEM-EDX能譜分析

值得一提的是，馮卓等發現的化石卷柏是以角質層方式保存的標本。在傳統研究方法中，為了加快實驗進度，這種保存類型的化石材料都是通過高濃度的強酸（氫氟酸、鹽酸）和強堿（氫氧化鉀、氫氧化鈉）等試劑處理。由于二氧化硅極溶于氫氟酸，所以傳統的實驗方法無法獲得原位保存的植硅體標本。馮卓等在研究過程中，避開了氫氟酸，而直接使用鹽酸處理樣品，并對樣品進行了適當的加熱處理。馮卓等采用的方法比傳統方法“費時”的多，實驗周期通常要數個月才能完成，但卻能獲得完整的原位保存的植硅體標本。馮卓等采用的實驗方法對未來科學家揭示植物的硅生物礦化作用的起源和演化及其在地球系統演化過程的作用提供了重要參考。

來源: 《中國科學》雜志社