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中生代湖泊革命 让“小不点”昆虫找到快乐家园

2018-10-11 09:59来源:科技日报

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  从风光旖旎的西湖、太湖,到烟波浩渺的鄱阳湖、洞庭湖,我们身边这些大大小小的湖泊,无一不是水草繁盛、鱼鲜蟹肥。作为现今地球上生物多样性最高的生态环境之一,湖泊可以说是众多水生动植物的“快乐家园”。

  但是,在2亿多年前,地球上的湖泊都是一片死气沉沉的水体,不用说鱼虾,就连昆虫和水草都很少。直到一场“中生代湖泊革命”的到来,湖泊才开始逐渐拥有了“生机”。

  中国科学院南京地质古生物研究所“现代陆地生态系统起源与早期演化”团队采集的、来自中国西北地区两个三叠纪地层中的昆虫化石群,证实了全变态昆虫和水生昆虫在约2.37亿年前经历了快速辐射和多样化,并将“中生代湖泊革命”提前了至少5000万年,为了解这一生命演化过程打开一扇新的窗口。该研究近日已在线发表于《科学进展》上。

  十年采集千余枚昆虫化石

  2009年,一队拿着地质锤、放大镜和罗盘的人来到陕西铜川市何家坊镇漆水河村,中科院南京地质古生物研究所张海春研究员带领着“现代陆地生态系统起源与早期演化”团队,正在这里进行中国石油集团委托的地质勘探。

  出于职业习惯,他们在一个山崖边,对一处三叠系地层剖面进行试探性的挖掘。没想到,第一天他们就在此收获了许多有价值的化石。“这些化石只有毫米级,但是我们通过放大镜一看,就能判断是一些以前没有见过的昆虫。”团队成员王博研究员告诉科技日报记者。

  这些昆虫属于什么种类?它们的生活习性如何?这些化石将为人们带来哪些新的认识和发现?

  此后的十年间,团队成员郑大燃博士、王博研究员等与香港大学、长庆油田等科研人员每年都会来到铜川,收集更多的化石证据,希望还原数亿年前一幕。同时,他们还远赴新疆克拉玛依,在那里进行同样的科学考察和化石发掘,先后收集了近千枚昆虫化石。

  通过研究发现,铜川昆虫群包含至少11目28科,是世界范围内三叠纪最丰富的昆虫群之一。克拉玛依昆虫群包含6目10科,以石蚕巢和划蝽为代表。

  更加可贵的是,铜川昆虫群层位有着大量的火山灰,这为确定地质年龄提供了绝佳的工具。数亿年前华南板块与华北板块的碰撞挤压,使得秦岭隆起,并发生了多次火山喷发,而这些火山灰中富含锆石,而锆石中则有铀元素。

  研究团队在利用质谱仪对锆石进行了铀-铅同位素年代学测试后,认定这个地层年龄大约为2.37亿年前。

  “这个研究的意义就在于,把模糊的年龄更加精确化,使得铜川成为三叠纪中晚期的标准剖面之一,相当于一把尺子。”王博介绍说,含化石层位也是长庆油田和克拉玛依油田的重要产油层,同位素年代学和生物地层学的研究结果也为油气资源勘探提供了新的定年和化石证据。

  全变态昆虫大爆发有新解

  蚊子、苍蝇、蝴蝶、飞蛾……这些生活中常见的昆虫,它们在学术界有一个特定的名字——全变态昆虫。“这些昆虫的幼虫和成虫,在不同环境下生活,吃的食物也不相同,因此叫全变态昆虫。”王博介绍说。

  全变态昆虫的一生分为四个阶段:卵——幼虫——蛹——成虫。幼虫与成虫在外部形态及生活习性上有很大差异,在幼虫老熟脱皮化蛹时,幼虫形态消失,而蛹期形态与成虫基本接近,如鳞翅目(蛾、蝴蝶)、鞘翅目(甲虫)。

  现生全变态昆虫在昆虫中占据最大比例和多样性,所以全变态昆虫什么时候繁盛也暗示了现代生态系统的诞生。那么这些全变态昆虫是从何时开始出现在地球上的呢?

  大约4亿年前,地球上出现了第一只昆虫;大约3亿年前,出现了全变态昆虫,但种类很少。而且,在距今约2.5亿年前的二叠纪末,地球曾经出现过一次生物灭绝事件,90%的物种灭绝,全变态昆虫也难逃厄运。

  直到2.37亿年前的三叠纪中期,海洋和陆地生态系统迅速发展,体型较小的昆虫先行一步。研究人员发现,铜川昆虫群不仅种类数量多,而且该昆虫群拥有超过14个科的全变态昆虫,占所有昆虫化石的约65%。

  根据前人的研究,全变态昆虫在中生代中期才在全球占据主导地位。因而,铜川和克拉玛依昆虫群中全变态昆虫的高多样性和高丰度是始料未及的,揭示了中三叠世全变态昆虫的大辐射(即突然增多)。

  王博说,正是在这次大辐射事件中,出现了蚊子、苍蝇、蝴蝶、蛾子……这一研究发现,把全变态昆虫和水生昆虫大辐射出现的时间,提前了2000万年。

  “中生代湖泊革命”提前5000万年

  如果穿越到3亿年前,地球上的大小湖泊里,只有水,没有硬骨鱼和宏体植物,死气沉沉的。

  那充满生机的湖泊是什么时候出现的?美国亚利桑那大学教授科恩2003年在他的专著《古湖泊学》中首次提出,可能是在侏罗纪到白垩纪,存在着一次“中生代湖泊革命”,形成了现代湖泊生态系统的雏形。

  但是,这一推论的时间跨度非常大。中生代包括三叠纪、侏罗纪和白垩纪,从2.5亿年前到6700万年前。无疑,这一推论需要更多的证据来让它变得清晰。

  而铜川和克拉玛依两个昆虫群恰恰位于两个巨大凹陷——鄂尔多斯和克拉玛依盆地中,2亿多年前,这里就是巨大的湖泊。那么,这些昆虫与湖泊究竟有没有关系呢?

  进入三叠纪,海洋和陆地生态系统迅速发展,是现代生态系统起源的第一步,因而被称作“现代生态系统的黎明”。“此时期,在陆地生态系统中,脊椎动物类群异常繁盛,而植物和昆虫同样经历了重要的发展。”王博说。

  通过研究发现,两个昆虫群化石中有大量的水生昆虫,比如克拉玛依昆虫群中发现的大量划蝽就是最早的水生蝽类。而一些毛翅目和水生甲虫也是水生全变态昆虫。

  王博说,推测在“二叠纪大灭绝”后,生态系统全部打乱了,在早期空出了很多生态的位置,与其他昆虫相比,全变态昆虫可能更适应早三叠世环境变化;再加上地质活动,三叠纪出现了大量的淡水湖泊,水生宏体植物大量出现,它们给鱼、昆虫等提供了适宜的生存环境。而这些水生昆虫也就在那时找到家园乐土。这一事实,将原本假设的“中生代湖泊革命”的时间向前推进了5000万年。(张晔)

[责编:肖春芳]

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