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中美科学家发现一亿年前传粉昆虫琥珀,将昆虫传粉史向前推进5000万年—— 一枚琥珀,破解达尔文“讨厌之谜”
2019年11月17日 10:27 来源:《光明日报》 作者:记者郑晋鸣 通讯员王昕宇 字号

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  昆虫是什么时候开始传播花粉的?中国科学院南京地质古生物研究所给出的答案是:一亿年前。近日,该研究所的古生物学家们与美国学者合作,发现了一枚为被子植物传粉的昆虫标本。这一研究成果日前发表在权威科学期刊《美国科学院院报》上,古生物学家们认为,该发现直接将昆虫传播花粉的历史向前推进了5000万年。

  确证花蚤琥珀的昆虫传粉价值

  在中国科学院南京地质古生物研究所里,研究员王博向记者展示了一枚长1.5厘米、宽1厘米、厚度在1毫米左右的琥珀。在这枚指甲盖大小的琥珀中,定格着一只体长4.25毫米的花蚤,它的周围、体毛里散布着密密麻麻的花粉颗粒。

  人类的大部分食物都属于被子植物,而90%以上的被子植物需要昆虫授粉。被子植物在白垩纪中期突然大量出现,但向前追溯,却找不到被子植物存在的任何化石记录。这完全违背了达尔文提出的物种逐渐进化的观点,因此他将这一“反常现象”称为“讨厌之谜”。王博介绍,虽然学界普遍认为被子植物是靠昆虫传粉扩散的,但一直没找到直接证据。

  2012年,王博从缅甸获得了一批琥珀样本,其中就包括这枚封存了花蚤传粉瞬间的琥珀,这些琥珀运回研究所后一直收于库房。直到2017年初,研究所和海外高校联培的博士生包童在观察了所藏几千枚琥珀标本后,将包括这枚琥珀在内的一百多枚化石标本带到了德国进行细致研究。

  经过一年的观察后,2018年,包童带着这枚珍贵的琥珀花蚤回到了南京。包童说,最初发现这枚标本时,他既激动又担忧,“它很可能就是被子植物昆虫传粉的证据,但用什么样的方法将花粉提取出来,怎么证明它还需要用更先进的设备进一步观察。”

  “很多花粉直径只有20-30微米,为了便于仔细观察,只能把琥珀磨得尽量薄。”王博介绍。但打磨后期,机器很容易对琥珀标本造成破坏,为了保护标本,包童选择用手拿着琥珀在砂纸上慢慢打磨。包童说:“打磨时非常害怕,怕稍微用力一点就破坏了标本。我可以做不出大成果来,但是我绝对不可以破坏标本。”王博向记者介绍,那段时间,包童除了吃饭、睡觉一直待在实验室,一周之后,包童的指甲被磨秃了,指纹也被生生磨掉了。

  包童向记者介绍,琥珀质地纤薄,每轻磨一次就必须在显微镜下观测效果,而显微镜设备存放在另一个办公室,为此,包童每天要在实验楼上下跑二三十趟,终于将样本打磨成型。经过数年苦研,包童终于在王博研究员的指导下,与研究所李建国研究员和美国的David Dilcher教授合作,确证了这一枚珍贵的花蚤琥珀的昆虫传粉价值。

  “其实我也怀疑过自己的设想。”包童坦言,最初的几年,观察日复一日却一无所获。这使他心灰意冷,焦虑到常常失眠,这期间,他牺牲了大量陪伴家人的时间。“我每年在家顶多待一个月,2018年春节,我在家休息了不到一个星期就走了。”包童说,“但是家人和导师都很理解我,我的导师告诉我,期待这个课题能够发现很大的成果,但如果没有出大成果,也可以做一些分类学的研究。他们的期待支撑着我坚持了下来。”

  琥珀花蚤为昆虫传粉提供了直接证据

  昆虫传粉被认为是白垩纪中期被子植物大爆发的一个关键因素。尽管这一时期昆虫和被子植物的种类已经较为丰富,但被子植物虫媒传粉的直接证据却一直缺失。

  传粉昆虫的定义很严格,“我们人类偶尔也会粘上花粉,也吃蜂蜜,但人类显然不是传粉动物。”王博表示,这需要综合花蚤的身体构型、口器形态、体毛特征、花粉形态等一系列证据才能完全确定。

  研究团队对琥珀标本精细打磨处理后,利用激光共聚焦显微镜进行研究,“花粉的荧光效应比昆虫的体毛更强,所以在激光共聚焦显微镜下,花粉更亮”。通过观察,王博团队发现花蚤的腹部、鞘翅和身体附近保存了至少62枚花粉颗粒。“这些花粉拥有三道明显的沟痕,是典型的三沟型花粉,属于真双子叶植物,依靠昆虫传播。”王博向记者介绍,部分花粉还形成了花粉团,这是只有虫媒传播的花粉才会呈现的状态。

  通过光学显微镜观察,科研人员发现花蚤的身体侧扁、弯曲成“C”型,并且长有极其发达、适于跳跃的后足,这种体型很适合在花冠上移动,同时,花蚤的腿部有大量体毛,为高效地接触和携带花粉提供了便利。

  传粉昆虫最重要的一个特点便是以花粉为食,但这枚琥珀花蚤的嘴却被另一只昆虫挡住,给直接观察带来了障碍。为此,研究人员利用显微CT重建了它的内部结构。图像显示,花蚤口器的下颚须末端膨大,用于收集和取食花粉颗粒。“它就像一把小铲子,能够把花粉都铲出来送到嘴里。”王博称,通过这一系列的证据,能够证明琥珀中的花蚤是一类传粉动物,这为白垩纪中期花蚤类甲虫对被子植物的传粉行为提供了直接证据。

  被子植物虫媒传粉记录提前至少5000万年

  昆虫传粉是维持现今陆地生态系统和人类农业生产正常运转的基础,掌握一亿年前的昆虫传粉情况,有益于深入了解并保护生态基础。“我们猜测当时绝大部分的花都是靠昆虫传粉的,二者的关系十分紧密,这也是为什么有花植物在自然界占据了统治地位。但是它们越普遍也越容易遭到破坏,了解它们之间的生态关系是进行保护的基础,如果要更好地了解昆虫传粉的生态作用,也必须要看一下它们是如何起源,如何发展起来的。”王博说。

  此前,科学家们从花粉、昆虫等方面,找到了很多虫媒传粉的间接证据。例如:通过昆虫传粉,花粉表面坑坑洼洼,特别容易聚集成团,通过风力传粉,花粉表面光滑平整,特别容易飘飞离散。最早的被子植物昆虫传粉的直接证据,是来自德国梅塞尔化石坑出土的蜜蜂及花粉化石(约4800万年前)。这一次的重大发现,将被子植物虫媒传粉的记录提前了至少5000万年,提供了白垩纪唯一的、也是最早的直接证据。

  此次在古生物研究的技术方面也有一定的创新突破,之前的科学家们已经习惯了使用光学显微镜来看标本上的花粉。王博说:“这次的研究成功运用了激光共聚焦显微镜寻找花粉的技术,这项技术的运用有望在未来给更多同行提供借鉴,以便进行相关的科研实验。”

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姓名:记者郑晋鸣 通讯员王昕宇 工作单位:

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