湖泊生态革命,昆虫找到快乐家园

时间:2020-03-27 08:36来源:文物考古
  昆虫与湖泊,貌似没多少关系。然而,我们今天要讲的,却偏偏是“小不点”昆虫化石与中生代湖泊“大革命”的故事。 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

  昆虫与湖泊,貌似没多少关系。然而,我们今天要讲的,却偏偏是“小不点”昆虫化石与中生代湖泊“大革命”的故事。

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。进入三叠纪,在陆地生态系统中,脊椎动物类群异常繁盛,植物和昆虫同样经历了重要的发展。“由于早、中三叠世昆虫化石极度稀缺,我们对于三叠纪昆虫复苏这一重要事件的认识严重不足。”中国科学院南京地质古生物研究所(以下简称南京古生物所)研究员王博告诉《中国科学报》记者。

中生代湖泊革命 让“小不点”昆虫找到快乐家园

  速看全文版:近来,中科院率领的科研团队在陕西和新疆两个三叠纪昆虫化石群中发现了一些现生昆虫的最早化石记录,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,将“中生代湖泊革命”提前了至少5000万年。该研究于9月5日在线发表于美国《科学》杂志子刊《科学进展》(Science Advances)。

近日,南京古生物所的科研团队对位于陕西和新疆的两个三叠纪昆虫化石群开展了深入研究,发现国外学者提出的“中生代湖泊革命”应提前至少5000年;证实全变态昆虫大辐射出现于中三叠世,比之前的推算时间提前了2000万年;还确定了精确陆相地层年龄,为生物群演化提供了标尺。相关研究成果于9月5日在线发表于美国《科学》杂志子刊《科学进展》。

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图片 2   本次研究发现的铜川和克拉玛依昆虫群典型分子

全变态昆虫何时出现

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”。

  如果看完上面这段内容你还有(bu)点(zhi)兴(suo)趣(yun),那就试着继续往下看一看。

昆虫经过受精卵、幼虫、蛹、成虫四个形态完全不同的发育阶段的生活史,叫作全变态,比如蚊子、苍蝇、蝴蝶、蜜蜂、甲虫等。王博告诉记者:“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?

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”。

  湖泊生态革命,从侏罗纪开始?

大约4亿年前,地球上出现了第一只昆虫;大约3亿年前,地球上开始出现全变态昆虫,但种类很少。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。

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。

  谈到湖泊,就看我国五大淡水湖,多是风光旖旎,鱼米足。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”。

南京古生物所科研团队通过研究陕西和新疆的两个三叠纪昆虫化石群后,不仅发现了一些现生昆虫的最早化石记录,也为同时期昆虫群对比提供了时代参考。

十年采集千余枚昆虫化石

  然而,你可曾想到,在2亿多年前的湖泊中,这种生机勃勃的场景却并不存在。特别是在2.5亿年前的二叠纪大灭绝之后,整个陆地生态系统中,75%的生物受到了毁灭性打击。由于干旱,湖泊更是稀少,仅有的湖泊中,也只有少数几种生物生存,一片死气沉沉。

其中,科研团队发现陕西铜川和新疆克拉玛依昆虫群中全变态昆虫的数量众多、种类丰富。团队用近十年的时间,采集了大量的昆虫化石标本,找到了距今约2.37亿年的昆虫化石,并证实了全变态昆虫和水生昆虫在约2.37亿年前的三叠纪中、晚期经历了快速辐射和多样化。这里的快速辐射是指多种类生物在短时间内出现并急速增加。

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。

  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”。亚利桑那大学Andrew Cohen教授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。

王博告诉《中国科学报》记者:“我们通过对昆虫化石层的放射性同位素年代学和生物地层学年代限定,以及昆虫群面貌研究,提出了三叠纪中、晚期昆虫大辐射这一演化事件。这比之前科学家们推算的时间往前推了2000万年。”

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。

  然而,湖泊生态革命,真的是从侏罗纪才开始的吗?

十年科考路

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?

  由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,为了解这个过程打一扇新的窗口,表明Cohen教授所说的“中生代湖泊革命”,早在三叠纪就已经开始!

十年来,南京古生物所研究员张海春带领“现代陆地生态系统起源与早期演化”团队,对西北地区三叠系地层开展了详细的考察工作。在陕西和新疆两个化石产地,迄今团队已采集了近千枚昆虫化石。

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。

  “毫米级”昆虫化石告诉我们什么?

近期,该团队成员郑大燃、王博等与香港大学、长庆油田等科研人员合作,对陕西中三叠世晚期铜川昆虫群和新疆晚三叠世早期克拉玛依昆虫群进行了研究。

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。

  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,用了近十年时间,对陕西铜川昆虫群和新疆克拉玛依昆虫群进行了科学考察和化石发掘,先后收集了近千枚昆虫化石。

“我上周日刚从新疆回来。”王博告诉记者,“我们的采集点距离克拉玛依20多公里,需要穿过戈壁滩,沿途几乎荒无人烟,还没有手机信号,科考途中偶尔会发生‘丢人’事件。”王博自己就曾经在穿越山沟的时候,因为临时要回车上取补给,结果发现车不在了,原来司机已经开去终点等待,幸亏同行人员担心他走丢而选择在原地等待。

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。

  通过研究发现,两个生物群中的昆虫化石个体普遍很小,体长大都是毫米级的。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。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%。克拉玛依昆虫群包含6目10科,以石蚕巢和划蝽为代表。

虽然采集的过程比较艰苦,但看着满满的化石还是颇有收获。王博说:“分析采集到的化石,我们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。”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%。

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。

  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)。

科研团队还发现,三叠纪的鞘翅目化石大多仅保存了鞘翅,而铜川昆虫群中保存了大量身体完好的甲虫。另外,在两个昆虫群中都发现了毛翅目幼虫构筑的巢穴——石蚕巢。团队采集的克拉玛依昆虫群包含6目10科,其中以石蚕巢和划蝽为代表。王博向记者展示了石蚕巢化石:“石蚕巢”大小只有几毫米,需要用放大镜才能观察清楚。

“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。

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毛翅目是鳞翅目的姊妹类群,鳞翅目最早记录是来自三叠纪—侏罗纪界线地层,而毛翅目最早记录来自西伯利亚早侏罗世的石蚕巢化石。铜川和克拉玛依昆虫群中发现的石蚕巢化石则将毛翅目的起源和筑巢行为追溯到了三叠纪拉丁期。

全变态昆虫大爆发有新解

  在这千余枚昆虫化石中,包括:

此外,两个昆虫群都拥有多样性最高的全变态昆虫,以长翅目和鞘翅目为代表。前人的研究显示,全变态昆虫在石炭纪早期已经出现,并在早、中三叠世多样化,但它们直到中生代中期才在全球占据主导地位。

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。

  1、铜川昆虫群中保存了大量身体完好的甲虫;

王博还告诉记者,含化石层位也是长庆油田和克拉玛依油田的重要产油层,团队采用的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、鞘翅目。

  2、 在两个昆虫群中都发现了毛翅目幼虫构筑的巢穴-石蚕巢(毛翅目是鳞翅目的姊妹类群,即蝴蝶、飞蛾的远亲),毛翅目的起源和筑巢行为追溯到了三叠纪拉丁期;

现代湖泊如何起源

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?

  此次发现的世界上最早的石蚕巢

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”。然而,在3亿多年前的湖泊中,这样生机勃勃的场景却并不存在。尤其是在2.5亿年前的二叠纪大灭绝之后,整个陆地生态系统中,75%的生物受到了毁灭性打击。由于气候干旱,当时的湖泊更是稀少,仅有的湖泊中,也只有少数几种生物生存。

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。

  现生的石蚕和它的巢穴(图片来源:网络)

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”。2003年,亚利桑那大学教授Andrew Cohen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”,从而形成了现代湖泊生态系统的雏形。

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%。

  3、两个昆虫群都拥有当时多样性最高的全变态昆虫,以长翅目和鞘翅目为代表;

王博指出,学界一直存在这样的疑问,如何考证湖泊生态革命真的是从侏罗纪才开始的?南京古生物所科研团队通过采集研究两个三叠纪地层中的昆虫化石群,发现一些重要的水生全变态昆虫可以追溯到中三叠世。

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。

  4、克拉玛依昆虫群中发现的大量划蝽也是最早的水生蝽类。

比如,克拉玛依昆虫群中发现的大量划蝽也是最早的水生蝽类。这些多样的水生昆虫属于“中生代湖泊革命”的一部分,南京古生物所团队的研究表明水生昆虫的多样化在中三叠世晚期已经出现,为淡水生态系统的早期演化提供了新的视角:“中生代湖泊革命”在三叠纪就已经开始。

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。

  铜川和克拉玛依昆虫群中全变态昆虫的高多样性及高丰度,揭示了中三叠世全变态昆虫发生了大辐射(即突然增多),全变态昆虫大辐射的时间比过去认识的至少要早2000万年。

相关论文信息:DOI:10.1126/sciadv.aat1380

“中生代湖泊革命”提前5000万年

  此次,大量水生昆虫(如:水生蝽类)的发现,表明水生昆虫的多样化在中三叠世晚期已经出现。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。

(原载于《中国科学报》 2018-09-10 第6版 院所)

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。

  而毫米级的昆虫体长,也说明在二叠纪末大灭绝之后,昆虫的复苏也经历了艰难漫长过程(想想大灭绝之前70厘米长的大蜻蜓)。

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。

  此外,为确定相关化石群的准确年龄,研究团队还在铜川昆虫群产出层位上下采集了凝灰质砂岩样品(火山灰),对样品中锆石进行了铀-铅同位素年代学测试分析,结果显示铜川昆虫群的绝对年龄约为2.37亿年,为同时期生物群对比提供了时代依据。

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。

  结语

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?

  总之,这些毫米级“小不点”昆虫化石的发现,证实了全变态和水生昆虫在中三叠世晚期经历了一次大辐射,也反映了真正的中生代湖泊“大革命”!

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。

  来源:科学大院

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。

编辑:文物考古 本文来源:湖泊生态革命,昆虫找到快乐家园

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