生態與演化 科學報導

更新維管植物演化史的化石證據

陸生維管束植物的演化是地球自然史的重要篇章,大型維管束植物在陸地上形成新的生態系並改變大氣組成,科學家目前認定原始維管束植物開始出現於大約四億年前的志留紀而後開始發達於泥盆紀,然而這些早期植物之於現生植物類群的關係以及植物生理的演化歷程仍不清楚,近期的化石報導提供了重要的線索。

最早期的多孢子陸生植物 (Polysporangiophyte) 為頂囊蕨類 (Cooksonia),科學家發現其化石廣泛分佈於北美洲、非洲與亞洲等地區。由化石中觀察到的型態相當渺小而類似苔蘚類 (Bryophytes),因此認定其生活史可能與苔蘚類似(苔癬類具有行光合作用的配子體 (gametophyte) 與相對不顯著的孢子體 (sporophytes))。雖然此物種的生活型態可能仍然較為倚賴配子體,與較後期的維管束植物不同,但是頂囊蕨在結構上確實已形成維管束組織,因此同時被認定為維管束植物或者苔蘚類的可能祖先。

本研究報導近期於捷克挖掘到的早期維管束植物化石,為目前最早的陸生維管束植物化石紀錄(4.3億年前)。此化石型態與頂囊蕨類在枝幹均值、分岔(平滑並形成一分為二),與孢子囊(終端膨大)相當相似。更重要地,先前研究訂定一定的枝幹直徑作為光合作用的判定標準,由現生物種估測孢子體能夠獨立行光合作用所需的最小半徑,而此化石中的樣本顯著超過此標準,間接顯示這類早期頂囊蕨的孢子體可能已發展成能夠獨立於配子體行光合作用。

另外,科學家在過去提出兩種陸生植物演化假說:對立性 (antithetic) 與同源性 (homologous)。其中對立性假說認定植物的特定生理與型態植物生理與表徵能在不同世代中連續地遺傳、演化(比如說發生在孢子體的演化可以傳遞給配子體,此情況下孢子體是與配子體世代的「內差」),同源性假說則闡述會在特定的世代交替階段(發生在配子體上的演化主要還是傳遞給下一個世代的配子體)出現並可能獨立於該階段演化。即便近期的植物演化研究傾向對立性假說,該化石的發現與研究間接顯示配子體與孢子體的獨立性,間接顯示多孢子陸生植物在世代交替中的同源性,引導我們再次比較兩種假說。此報導顯示尋獲化石、仔細觀察並呼應演化理論的重要性,也相信此發現有助我們逐漸揭露植物演化的全貌。

圖片出處:https://doi.org/10.1038/s41477-018-0140-y

參考文獻:
1. Libertín, M., Kvaček, J., Bek, J., Žárský, V., & Štorch, P. (2018). Sporophytes of polysporangiate land plants from the early Silurian period may have been photosynthetically autonomous. Nature plants4(5), 269-271. https://doi.org/10.1038/s41477-018-0140-y

撰文│陳曦
審稿│陳彥善

About the author

陳曦

台大生科系畢業,目前於普林斯頓大學攻讀博士班。研究領域為系統與計算神經科學,也對生物物理、 系統生物學與複雜系統感興趣。大學至UCLA暑期實習、於復旦大學研究交流、碩士班研究於中研院物理所。大學時期推動系學會學術活動、撰寫科普文章,希望對跨領域合作、科普知識的推廣盡一份心力。期待持續在Investigator社群結識志同道合的朋友,推廣學術訊息、分享研究經驗的過程中互相學習。

Leave a Comment