中国科学家在白垩纪琥珀中发现虫媒授粉花蚤，为达尔文“令人讨厌的谜团”提供直接证据，将虫媒授粉理论至少向前推进约5000万年。
供图/中科院南京地质古生物研究所
一亿年前的昆虫，也会像现在的蜜蜂与花一样为植物授粉吗？琥珀告诉我们，会。
前不久，一篇刊登在科学期刊《美国科学院院报》的研究成果称，中国科学家发现了一枚特殊的缅甸琥珀——这枚来自白垩纪中期的琥珀，包裹着一只足以证明被子植物虫媒授粉的花蚤。在此之前，人类能够找到被子植物虫媒授粉行为的最早证据，还只有出土于距今4800万年德国梅塞尔化石坑的蜜蜂及花粉化石。鉴于此，古生物学者们认为，这枚花蚤琥珀的发现为白垩纪中期（约9900万年前）被子植物即是虫媒授粉提供了直接的证据，将被子植物虫媒授粉理论至少向前推进了约5000万年。
▲白垩纪中期花蚤概念图
充满历史性意义的一次授粉
▲琥珀花蚤
据了解，这枚长约1.5厘米、厚度只有1毫米左右的缅甸琥珀里，包裹着一只长约4.25毫米的花蚤，有至少62粒花粉颗粒"沾"在这只花蚤的腹部、鞘翅和腿部。正是这样一颗小小琥珀里包裹住的东西，改写了人类对被子植物和授粉昆虫的演化、对昆虫与植物协同进化历史的理解。
对于植物家和生物学家来说，这枚花蚤琥珀的花粉颗粒最重要的科学价值在于，从种类方面看，它们有着清晰的三道辐射排列沟痕，属于典型的三沟型花粉（注：花粉具3个纵长的简单口器），而这正是被子植物一大分支——真双子叶植物最具标志性的重要特征。从分布方面看，这些花粉颗粒是以网格式团簇状的形态分布与花蚤身上，明显有别于依靠风传播授粉的分散形态，是典型的属于虫媒授粉的"花粉团"。换而言之，被子植物和授粉昆虫之间的关系就这样被一枚琥珀"留证"了。
▲琥珀中的花粉颗粒具有明显的三道沟痕
▲琥珀中的花粉颗粒以网格式团簇状分布
解开了达尔文"令人讨厌的谜团"
▲琥珀中的花粉颗粒具有明显的三道沟痕
作为当今全世界种类最多、分布最广且适应性极强的陆生植物种类，被子植物如今占据了全球植物总数的"半壁江山"。对于人类来说，它们的身影几乎出现在我们生活的方方面面：餐桌上，大部分的食物都是被子植物直接或间接的馈赠，如直接从土地中生长出来的瓜果蔬菜和以这些植物为饲料生长的牲畜家禽；生活中，它们也是人类能源和生活制品的重要来源之一，范围覆盖了从木材、纺织和塑料在内的方方面面。
虽然相比于裸子植物、蕨类等，被子植物并不算是地球上最早的主人，但它出现历史最早也可追溯的到侏罗纪时期。白垩纪中晚期开始，被子植物突然大量出现在地球表面，并迅速成为覆盖地球的主要植物之一，但这种"突然增长"也曾给生物学家带来了不小的困惑。早在1898年，著名的生物学家达尔文曾质疑，如果物种是"由低级到高级，由简单到复杂，种类由多到少逐渐进化、发展而来"的这一理论是正确的，那么根据当时现有的证据，为什么只能看到被子植物在白垩纪中晚期开始骤增，但是再向前推进至几十亿年前，为什么它们却毫无存在的踪迹呢？
"起源的证据"这个环节的缺失始终困扰着达尔文，以致于后世为这个谜团称之为"令人讨厌的谜团"。此后百年间，随着人类科学的不断发展以及更多化石的出现，这一缺口终于被零星的证据填补上了，而中国科学家本次的发现无疑进一步佐证了达尔文的物种起源论。
被子植物与授粉昆虫的关系至少提前了5000万年
▲花蚤
对于被子植物数量为什么会从白垩纪中晚期开始激增这一问题，科学家普遍认为昆虫作为传粉媒介的加入，有效促进了白垩纪中期被子植物的快速生长及进化，只是多年来科学界却始终缺乏直接的科学证明。
▲琥珀花蚤"沾"着花粉颗粒
早在19世纪达尔文时期人们就已经认识到，虫媒授粉行为对被子植物在中生代白垩纪晚期的快速发展密不可分[1]，然而直至德国梅塞尔化石坑中蜜蜂及花粉化石的出现，人类推演被子植物与授粉昆虫之间的虫媒传粉行为的时间轴才被定在"最早发生于4800万年前"。尽管"昆虫授粉"听上去是如此合情合理，但如何科学地证明化石中的花粉颗粒、昆虫与虫媒授粉三者的关系却并不容易——身上沾有花粉的昆虫，就能直接证明它是授粉昆虫吗？答案显然是否定的。这好比一只家猫从花丛中穿过，它的身上也会沾有花粉，但很明显，猫并不是传粉动物，那这只花蚤呢？
▲琥珀花蚤的结构细节
对此，中科院南京地质古生物研究所研究员王博表示，只有综合昆虫的身体构造、口器形态、体毛特征、是否以花粉为食等一系列证据，才能最终确定一直昆虫是否真正属于授粉昆虫。
在本次研究中，琥珀中的花蚤以C形弯曲的姿态被包裹，其后足粗壮发达，利于花蚤在花冠上跳跃，腿部及腹部长有大量的体毛，有助于携带更多的花粉颗粒。与此同时，花蚤口器下颚须末端膨大如一把铲子，这是方便于花蚤高效地采集和取食花粉。基于这些足以证明，早在白垩纪中期，花蚤就已经是隶属于传粉昆虫家族的甲虫了。
▲琥珀花蚤的细节线图
至此，中国科学家发现的这枚缅甸琥珀足以提供充足且直接的证据表明，约在一亿年前的地球上就已经存在被子植物虫媒授粉。
琥珀背后的故事
▲在实验室中的包童
"其实一开始我们更关注的并不是这块琥珀"，包童笑着说。作为本次科研成果的第一作者，他从俄罗斯毕业后前往德国深造，机缘巧合之下与王博相识，成为中国科学院南京地质古生物研究所与德国波恩大学联合培养的博士生。自此，他便在王博研究员的带领之下，走上了琥珀研究这个道路。
千锤百炼的发现
提起跟这块花蚤琥珀的缘分，包童一直很有感触："当时在国内上千块的琥珀标本中挑了很久，最后也就只带了100多块带去德国研究。其实，最开始我们更看重的是另外一块琥珀，觉得那一块也许会有更高的价值，但是研究了才发现，它里面包裹的花粉颗粒纹饰反而不如今天这一块（花蚤琥珀）清楚。"
对于整个研究过程，包童至今都记忆犹新。由于科学研究对琥珀标本的要求迥异于消费市场，如何将一块琥珀标本按科研需求打磨，实则是一个很大的挑战。
▲激光共聚焦显微镜下，藏在花蚤体毛中的花粉颗粒（1）
"物理打磨没有什么先进的办法，就是得靠手"，包童说。初始琥珀有吊坠大小，包童将周围不必要的树脂部分一一去除，"饰品吊坠一般都会留下很多树脂，看上去亮晶晶的好看，但科研是不需要的，只要留下最核心的内容物部分"。完成这一步后，才真正进入了琥珀处理最关键也是最难的部分——用砂纸手工打磨，然而就是这样一个听上去简单的环节，其难度远超人们的想象。
"很多花粉直径只有20到30微米，不好观察，所以只能尽量磨薄，但用力过猛就容易破坏标本，所以就只能一点点慢慢磨"，包童说。
近一个星期后，指甲磨掉了、指纹也几乎磨没了，包童才将这块花蚤最后磨成如今的样子——只有一分钱硬币大，连薄厚都差不多。
有人可能要问了，既然这么麻烦，将琥珀外面包裹着的树脂溶解掉，直接提取内容物进行研究不就行了？对此，包童坦言自己早前也曾有过类似尝试，但效果并不理想："由于置换作用，琥珀里的内容物很多都只是保留了一层躯壳，内部大多都已经矿化成石头了，而且那样做也易破坏标本主体。"谈到已经有德国科学家开始尝试使用机器打磨，包童认为这种尝试还是任重而道远，"也许未来机器可以做的更好，但是至少现在，全自动无法解决这个难题"。
除了物理加工环节困难重重，为了更清楚地看清并区分琥珀的内容物，包童及其研究团队也使用了诸如微电脑断层扫描技术Micro-CT的高科技设备。
"因为它（花蚤）被一只很小的飞虫挡住，看不太清楚，外加昆虫的体毛都非常丰富，杂质也很多，用微型CT扫描能很清楚地看清花蚤本体还有它的结构"，包童解释："给琥珀用的CT原理其实跟咱们医用的CT一样，只是因为琥珀体积很小，所以标本自转而发射的X射线光源固定；医用CT则是患者固定，而发射的X射线光源旋转"。
▲微电脑断层扫描结果所呈现出的花蚤
除此之外，激光共聚焦显微镜（CLSM）也被用到了本次的研究之中。据包童解释，CLSM技术是以荧光反应为理论基础，利用花粉荧光强度最强这一特征，可以快速且清晰地将花粉颗粒与其他杂质区分开。
▲激光共聚焦显微镜下的花粉颗粒细节
琥珀：小世界里的大乾坤
事实上，人们常见的恐龙化石（多为岩石化石）虽然也能呈现古生物的诸多形态，但它更像是一个平面，是通过二维的方式展示古生物的各种细节。相比之下，琥珀是生物体被树脂瞬间包裹并得到快速掩埋的结果，在它的形成过程中，其本体没有受到过多的摩擦或者挤压，因而琥珀保存动植物的方式是非常立体的，就算是最微小的细节人们都能看得清楚。
"琥珀里的世界就好像是时间突然被定格了一样，它记录的就是动植物被树脂包裹住的那一瞬间"，包童解释道："而且它还能为我们提供更多有关当时的信息，对复原当时的生态环境非常有用。"
▲含有气泡的水生甲虫的琥珀
很长一段时间以来，人们对琥珀内容物的了解相当局限，除了昆虫、植物这些生物体，琥珀还能包裹住什么？答案是：还有水、砂和空气。
由于树脂包裹住生物体是瞬间发生的行为，因而琥珀偶尔也会将动植物周围的生态环境也一起包裹住，诸如水滴、气泡、沙砾。内部含有水滴气泡的琥珀，由于气泡和水滴像是琥珀的"内胆"，故而被称之为水胆琥珀。同样原理，包含了沙砾的则叫砂胆琥珀。在攻读硕士期间，包童就在王博研究员的指导下，围绕琥珀样本发表了《关于白垩纪缅甸琥珀中扁泥甲的研究》一文，深度探讨扁泥甲这种幼虫生长在水里的昆虫是如何被包裹成为琥珀的。
"有趣的是，这样的水胆琥珀一开始并没有多少人重视，是这几年市场才认识到它们很稀有的"，包童笑着为记者展示了几颗水胆琥珀和沙砾琥珀。
▲包童向记者介绍的砂胆琥珀
轻轻晃动之下，就算是过了亿万年前，琥珀里的水滴和沙砾依然清晰可见。"也是因为这一点，琥珀具有非常高的埋藏学研究价值，我们可以忽略时间的影响，根据这些环境信息的细节设想这些古生物当时的生存状态。"
▲水胆琥珀的细节
谈及此次研究所提到的琥珀——缅甸琥珀，包童也很激动："缅甸琥珀算是恐龙时代的琥珀，它里面包裹的内容物非常丰富"。据悉，缅甸琥珀不同于人们熟知的波罗的海琥珀和抚顺琥珀，主要来自于缅甸北部克钦邦，处于在中生代白垩纪时期，也就是大约一亿年前。因为包裹的内容物非常丰富，科学界普遍认为其对研究昆虫与植物的演化有着重要的价值。
"除了咱们常见的昆虫和植物，（缅甸琥珀里）还有很多其他的生物体，"包童介绍道："像是螃蟹、蝎子、蜗牛，稍微大一点儿的还有青蛙、壁虎，甚至小恐龙或者鸟的羽毛都有，这些都是挺罕见的，研究价值特别高。之前王老师发现的一块琥珀里就包含了菊石，那是海洋生物。"
▲水胆琥珀的细节
据悉，今年5月王博研究员所发现的这块包含了菊石的琥珀里，还有其他 40 多种生物，其中就包括螺类、螨虫、蜘蛛、蟑螂、甲虫等至少 12 个昆虫成虫标本，而在此之前，普遍认为菊石这类海生无脊椎动物，在理论上是不可能出现在琥珀中的。
琥珀研究的未来会是怎样的？会有更多秘密等待着被人类挖掘和发现吗？前路漫漫，随着科学技术的不断发展，相信未来会有更多精彩的发现值得我们期待。
参考文献：
[1] 张红玉.《虫媒植物与传粉昆虫的协同进化（一）——传粉昆虫对虫媒植物进化所起的作用》，四川林业科技，6月26期26卷，38-40.
本文来自：北京科技报
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