中生代湖泊革命 讓“小不點”昆蟲找到快樂家園

2018年10月11日 11:20:27
來源: 科技日報 作者: 張曄

  從風光旖旎的西湖、太湖,到煙波浩渺的鄱陽湖、洞庭湖,我們身邊這些大大小小的湖泊,無一不是水草繁盛、魚鮮蟹肥。作為現今地球上生物多樣性最高的生態環境之一,湖泊可以説是眾多水生動植物的“快樂家園”。

  但是,在2億多年前,地球上的湖泊都是一片死氣沉沉的水體,不用説魚蝦,就連昆蟲和水草都很少。直到一場“中生代湖泊革命”的到來,湖泊才開始逐漸擁有了“生機”。

  中國科學院南京地質古生物研究所“現代陸地生態系統起源與早期演化”團隊採集的、來自中國西北地區兩個三疊紀地層中的昆蟲化石群,證實了全變態昆蟲和水生昆蟲在約2.37億年前經歷了快速輻射和多樣化,並將“中生代湖泊革命”提前了至少5000萬年,為了解這一生命演化過程打開一扇新的窗口。該研究近日已線上發表于《科學進展》上。

  十年採集千余枚昆蟲化石

  2009年,一隊拿著地質錘、放大鏡和羅盤的人來到陜西銅川市何家坊鎮漆水河村,中科院南京地質古生物研究所張海春研究員帶領著“現代陸地生態系統起源與早期演化”團隊,正在這裡進行中國石油集團委託的地質勘探。

  出於職業習慣,他們在一個山崖邊,對一處三疊係地層剖面進行試探性的挖掘。沒想到,第一天他們就在此收穫了許多有價值的化石。“這些化石只有毫米級,但是我們通過放大鏡一看,就能判斷是一些以前沒有見過的昆蟲。”團隊成員王博研究員告訴科技日報記者。

  這些昆蟲屬於什麼種類?它們的生活習性如何?這些化石將為人們帶來哪些新的認識和發現?

  此後的十年間,團隊成員鄭大燃博士、王博研究員等與香港大學、長慶油田等科研人員每年都會來到銅川,收集更多的化石證據,希望還原數億年前一幕。同時,他們還遠赴新疆克拉瑪依,在那裏進行同樣的科學考察和化石發掘,先後收集了近千枚昆蟲化石。

  通過研究發現,銅川昆蟲群包含至少11目28科,是世界範圍內三疊紀最豐富的昆蟲群之一。克拉瑪依昆蟲群包含6目10科,以石蠶巢和劃蝽為代表。

  更加可貴的是,銅川昆蟲群層位有著大量的火山灰,這為確定地質年齡提供了絕佳的工具。數億年前華南板塊與華北板塊的碰撞擠壓,使得秦嶺隆起,併發生了多次火山噴發,而這些火山灰中富含鋯石,而鋯石中則有鈾元素。

  研究團隊在利用質譜儀對鋯石進行了鈾-鉛同位素年代學測試後,認定這個地層年齡大約為2.37億年前。

  “這個研究的意義就在於,把模糊的年齡更加精確化,使得銅川成為三疊紀中晚期的標準剖面之一,相當於一把尺子。”王博介紹説,含化石層位也是長慶油田和克拉瑪依油田的重要産油層,同位素年代學和生物地層學的研究結果也為油氣資源勘探提供了新的定年和化石證據。

  全變態昆蟲大爆發有新解

  蚊子、蒼蠅、蝴蝶、飛蛾……這些生活中常見的昆蟲,它們在學術界有一個特定的名字——全變態昆蟲。“這些昆蟲的幼蟲和成蟲,在不同環境下生活,吃的食物也不相同,因此叫全變態昆蟲。”王博介紹説。

  全變態昆蟲的一生分為四個階段:卵——幼蟲——蛹——成蟲。幼蟲與成蟲在外部形態及生活習性上有很大差異,在幼蟲老熟脫皮化蛹時,幼蟲形態消失,而蛹期形態與成蟲基本接近,如鱗翅目(蛾、蝴蝶)、鞘翅目(甲蟲)。

  現生全變態昆蟲在昆蟲中佔據最大比例和多樣性,所以全變態昆蟲什麼時候繁盛也暗示了現代生態系統的誕生。那麼這些全變態昆蟲是從何時開始出現在地球上的呢?

  大約4億年前,地球上出現了第一隻昆蟲;大約3億年前,出現了全變態昆蟲,但種類很少。而且,在距今約2.5億年前的二疊紀末,地球曾經出現過一次生物滅絕事件,90%的物種滅絕,全變態昆蟲也難逃厄運。

  直到2.37億年前的三疊紀中期,海洋和陸地生態系統迅速發展,體型較小的昆蟲先行一步。研究人員發現,銅川昆蟲群不僅種類數量多,而且該昆蟲群擁有超過14個科的全變態昆蟲,佔所有昆蟲化石的約65%。

  根據前人的研究,全變態昆蟲在中生代中期才在全球佔據主導地位。因而,銅川和克拉瑪依昆蟲群中全變態昆蟲的高多樣性和高豐度是始料未及的,揭示了中三疊世全變態昆蟲的大輻射(即突然增多)。

  王博説,正是在這次大輻射事件中,出現了蚊子、蒼蠅、蝴蝶、蛾子……這一研究發現,把全變態昆蟲和水生昆蟲大輻射出現的時間,提前了2000萬年。

  “中生代湖泊革命”提前5000萬年

  如果穿越到3億年前,地球上的大小湖泊裏,只有水,沒有硬骨魚和宏體植物,死氣沉沉的。

  那充滿生機的湖泊是什麼時候出現的?美國亞利桑那大學教授科恩2003年在他的專著《古湖泊學》中首次提出,可能是在侏羅紀到白堊紀,存在著一次“中生代湖泊革命”,形成了現代湖泊生態系統的雛形。

  但是,這一推論的時間跨度非常大。中生代包括三疊紀、侏羅紀和白堊紀,從2.5億年前到6700萬年前。無疑,這一推論需要更多的證據來讓它變得清晰。

  而銅川和克拉瑪依兩個昆蟲群恰恰位於兩個巨大凹陷——鄂爾多斯和克拉瑪依盆地中,2億多年前,這裡就是巨大的湖泊。那麼,這些昆蟲與湖泊究竟有沒有關係呢?

  進入三疊紀,海洋和陸地生態系統迅速發展,是現代生態系統起源的第一步,因而被稱作“現代生態系統的黎明”。“此時期,在陸地生態系統中,脊椎動物類群異常繁盛,而植物和昆蟲同樣經歷了重要的發展。”王博説。

  通過研究發現,兩個昆蟲群化石中有大量的水生昆蟲,比如克拉瑪依昆蟲群中發現的大量劃蝽就是最早的水生蝽類。而一些毛翅目和水生甲蟲也是水生全變態昆蟲。

  王博説,推測在“二疊紀大滅絕”後,生態系統全部打亂了,在早期空出了很多生態的位置,與其他昆蟲相比,全變態昆蟲可能更適應早三疊世環境變化;再加上地質活動,三疊紀出現了大量的淡水湖泊,水生宏體植物大量出現,它們給魚、昆蟲等提供了適宜的生存環境。而這些水生昆蟲也就在那時找到家園樂土。這一事實,將原本假設的“中生代湖泊革命”的時間向前推進了5000萬年。

標簽 - 昆蟲群,全變態,湖泊生態系統,快樂家園,鉛同位素
網站編輯 - 趙雯