白堊紀琥珀中現傳粉花蚤，為解答達爾文“討厭之謎”提供關鍵證據

中國科學家在白堊紀琥珀中發現蟲媒授粉花蚤，為達爾文“令人討厭的謎團”提供直接證據，將蟲媒授粉理論至少向前推進約5000萬年。

供圖/中科院南京地質古生物研究所

一億年前的昆蟲，也會像現在的蜜蜂與花一樣為植物授粉嗎？琥珀告訴我們，會。

前不久，一篇刊登在科學期刊《美國科學院院報》的研究成果稱，中國科學家發現了一枚特殊的緬甸琥珀——這枚來自白堊紀中期的琥珀，包裹著一隻足以證明被子植物蟲媒授粉的花蚤。在此之前，人類能夠找到被子植物蟲媒授粉行為的最早證據，還只有出土於距今4800萬年德國梅塞爾化石坑的蜜蜂及花粉化石。鑑於此，古生物學者們認為，這枚花蚤琥珀的發現為白堊紀中期（約9900萬年前）被子植物即是蟲媒授粉提供了直接的證據，將被子植物蟲媒授粉理論至少向前推進了約5000萬年。

▲白堊紀中期花蚤概念圖

充滿歷史性意義的一次授粉

▲琥珀花蚤

據瞭解，這枚長約1。5釐米、厚度只有1毫米左右的緬甸琥珀裡，包裹著一隻長約4。25毫米的花蚤，有至少62粒花粉顆粒“沾”在這隻花蚤的腹部、鞘翅和腿部。正是這樣一顆小小琥珀裡包裹住的東西，改寫了人類對被子植物和授粉昆蟲的演化、對昆蟲與植物協同進化歷史的理解。

對於植物家和生物學家來說，這枚花蚤琥珀的花粉顆粒最重要的科學價值在於，從種類方面看，它們有著清晰的三道輻射排列溝痕，屬於典型的三溝型花粉（注：花粉具3個縱長的簡單口器），而這正是被子植物一大分支——真雙子葉植物最具標誌性的重要特徵。從分佈方面看，這些花粉顆粒是以網格式團簇狀的形態分佈與花蚤身上，明顯有別於依靠風傳播授粉的分散形態，是典型的屬於蟲媒授粉的“花粉團”。換而言之，被子植物和授粉昆蟲之間的關係就這樣被一枚琥珀“留證”了。

▲琥珀中的花粉顆粒具有明顯的三道溝痕

▲琥珀中的花粉顆粒以網格式團簇狀分佈

解開了達爾文"令人討厭的謎團"

▲琥珀中的花粉顆粒具有明顯的三道溝痕

作為當今全世界種類最多、分佈最廣且適應性極強的陸生植物種類，被子植物如今佔據了全球植物總數的“半壁江山”。對於人類來說，它們的身影幾乎出現在我們生活的方方面面：餐桌上，大部分的食物都是被子植物直接或間接的饋贈，如直接從土地中生長出來的瓜果蔬菜和以這些植物為飼料生長的牲畜家禽；生活中，它們也是人類能源和生活製品的重要來源之一，範圍覆蓋了從木材、紡織和塑膠在內的方方面面。

雖然相比於裸子植物、蕨類等，被子植物並不算是地球上最早的主人，但它出現歷史最早也可追溯的到侏羅紀時期。白堊紀中晚期開始，被子植物突然大量出現在地球表面，並迅速成為覆蓋地球的主要植物之一，但這種“突然增長”也曾給生物學家帶來了不小的困惑。早在1898年，著名的生物學家達爾文曾質疑，如果物種是“由低階到高階，由簡單到複雜，種類由多到少逐漸進化、發展而來”的這一理論是正確的，那麼根據當時現有的證據，為什麼只能看到被子植物在白堊紀中晚期開始驟增，但是再向前推進至幾十億年前，為什麼它們卻毫無存在的蹤跡呢？

“起源的證據”這個環節的缺失始終困擾著達爾文，以致於後世為這個謎團稱之為“令人討厭的謎團”。此後百年間，隨著人類科學的不斷髮展以及更多化石的出現，這一缺口終於被零星的證據填補上了，而中國科學家本次的發現無疑進一步佐證了達爾文的物種起源論。

被子植物與授粉昆蟲的關係至少提前了5000萬年

▲花蚤

對於被子植物數量為什麼會從白堊紀中晚期開始激增這一問題，科學家普遍認為昆蟲作為傳粉媒介的加入，有效促進了白堊紀中期被子植物的快速生長及進化，只是多年來科學界卻始終缺乏直接的科學證明。

▲琥珀花蚤“沾”著花粉顆粒

早在19世紀達爾文時期人們就已經認識到，蟲媒授粉行為對被子植物在中生代白堊紀晚期的快速發展密不可分［1］，然而直至德國梅塞爾化石坑中蜜蜂及花粉化石的出現，人類推演被子植物與授粉昆蟲之間的蟲媒傳粉行為的時間軸才被定在“最早發生於4800萬年前”。儘管“昆蟲授粉”聽上去是如此合情合理，但如何科學地證明化石中的花粉顆粒、昆蟲與蟲媒授粉三者的關係卻並不容易——身上沾有花粉的昆蟲，就能直接證明它是授粉昆蟲嗎？答案顯然是否定的。這好比一隻家貓從花叢中穿過，它的身上也會沾有花粉，但很明顯，貓並不是傳粉動物，那這隻花蚤呢？

▲琥珀花蚤的結構細節

對此，中科院南京地質古生物研究所研究員王博表示，只有綜合昆蟲的身體構造、口器形態、體毛特徵、是否以花粉為食等一系列證據，才能最終確定一直昆蟲是否真正屬於授粉昆蟲。

在本次研究中，琥珀中的花蚤以C形彎曲的姿態被包裹，其後足粗壯發達，利於花蚤在花冠上跳躍，腿部及腹部長有大量的體毛，有助於攜帶更多的花粉顆粒。與此同時，花蚤口器下顎須末端膨大如一把鏟子，這是方便於花蚤高效地採集和取食花粉。基於這些足以證明，早在白堊紀中期，花蚤就已經是隸屬於傳粉昆蟲家族的甲蟲了。

▲琥珀花蚤的細節線圖

至此，中國科學家發現的這枚緬甸琥珀足以提供充足且直接的證據表明，約在一億年前的地球上就已經存在被子植物蟲媒授粉。

琥珀背後的故事

▲在實驗室中的包童

“其實一開始我們更關注的並不是這塊琥珀”，包童笑著說。作為本次科研成果的第一作者，他2014年從俄羅斯畢業後前往德國深造，機緣巧合之下與王博相識，成為中國科學院南京地質古生物研究所與德國波恩大學聯合培養的博士生。自此，他便在王博研究員的帶領之下，走上了琥珀研究這個道路。

千錘百煉的發現

提起跟這塊花蚤琥珀的緣分，包童一直很有感觸：“當時在國內上千塊的琥珀標本中挑了很久，最後也就只帶了100多塊帶去德國研究。其實，最開始我們更看重的是另外一塊琥珀，覺得那一塊也許會有更高的價值，但是研究了才發現，它裡面包裹的花粉顆粒紋飾反而不如今天這一塊（花蚤琥珀）清楚。”

對於整個研究過程，包童至今都記憶猶新。由於科學研究對琥珀標本的要求迥異於消費市場，如何將一塊琥珀標本按科研需求打磨，實則是一個很大的挑戰。

▲鐳射共聚焦顯微鏡下，藏在花蚤體毛中的花粉顆粒（1）

“物理打磨沒有什麼先進的辦法，就是得靠手”，包童說。初始琥珀有吊墜大小，包童將周圍不必要的樹脂部分一一去除，“飾品吊墜一般都會留下很多樹脂，看上去亮晶晶的好看，但科研是不需要的，只要留下最核心的內容物部分”。完成這一步後，才真正進入了琥珀處理最關鍵也是最難的部分——用砂紙手工打磨，然而就是這樣一個聽上去簡單的環節，其難度遠超人們的想象。

“很多花粉直徑只有20到30微米，不好觀察，所以只能儘量磨薄，但用力過猛就容易破壞標本，所以就只能一點點慢慢磨”，包童說。

近一個星期後，指甲磨掉了、指紋也幾乎磨沒了，包童才將這塊花蚤最後磨成如今的樣子——只有一分錢硬幣大，連薄厚都差不多。

有人可能要問了，既然這麼麻煩，將琥珀外面包裹著的樹脂溶解掉，直接提取內容物進行研究不就行了？對此，包童坦言自己早前也曾有過類似嘗試，但效果並不理想：“由於置換作用，琥珀裡的內容物很多都只是保留了一層軀殼，內部大多都已經礦化成石頭了，而且那樣做也易破壞標本主體。”談到已經有德國科學家開始嘗試使用機器打磨，包童認為這種嘗試還是任重而道遠，“也許未來機器可以做的更好，但是至少現在，全自動無法解決這個難題”。

除了物理加工環節困難重重，為了更清楚地看清並區分琥珀的內容物，包童及其研究團隊也使用了諸如微電腦斷層掃描技術Micro-CT的高科技裝置。

“因為它（花蚤）被一隻很小的飛蟲擋住，看不太清楚，外加昆蟲的體毛都非常豐富，雜質也很多，用微型CT掃描能很清楚地看清花蚤本體還有它的結構”，包童解釋：“給琥珀用的CT原理其實跟咱們醫用的CT一樣，只是因為琥珀體積很小，所以標本自轉而發射的X射線光源固定；醫用CT則是患者固定，而發射的X射線光源旋轉”。

▲微電腦斷層掃描結果所呈現出的花蚤

除此之外，鐳射共聚焦顯微鏡（CLSM）也被用到了本次的研究之中。據包童解釋，CLSM技術是以熒光反應為理論基礎，利用花粉熒光強度最強這一特徵，可以快速且清晰地將花粉顆粒與其他雜質區分開。

▲鐳射共聚焦顯微鏡下的花粉顆粒細節

琥珀：小世界裡的大乾坤

事實上，人們常見的恐龍化石（多為岩石化石）雖然也能呈現古生物的諸多形態，但它更像是一個平面，是透過二維的方式展示古生物的各種細節。相比之下，琥珀是生物體被樹脂瞬間包裹並得到快速掩埋的結果，在它的形成過程中，其本體沒有受到過多的摩擦或者擠壓，因而琥珀儲存動植物的方式是非常立體的，就算是最微小的細節人們都能看得清楚。

“琥珀裡的世界就好像是時間突然被定格了一樣，它記錄的就是動植物被樹脂包裹住的那一瞬間”，包童解釋道：“而且它還能為我們提供更多有關當時的資訊，對復原當時的生態環境非常有用。”

▲含有氣泡的水生甲蟲的琥珀

很長一段時間以來，人們對琥珀內容物的瞭解相當侷限，除了昆蟲、植物這些生物體，琥珀還能包裹住什麼？答案是：還有水、砂和空氣。

由於樹脂包裹住生物體是瞬間發生的行為，因而琥珀偶爾也會將動植物周圍的生態環境也一起包裹住，諸如水滴、氣泡、沙礫。內部含有水滴氣泡的琥珀，由於氣泡和水滴像是琥珀的“內膽”，故而被稱之為水膽琥珀。同樣原理，包含了沙礫的則叫砂膽琥珀。在攻讀碩士期間，包童就在王博研究員的指導下，圍繞琥珀樣本發表了《關於白堊紀緬甸琥珀中扁泥甲的研究》一文，深度探討扁泥甲這種幼蟲生長在水裡的昆蟲是如何被包裹成為琥珀的。

“有趣的是，這樣的水膽琥珀一開始並沒有多少人重視，是這幾年市場才認識到它們很稀有的”，包童笑著為記者展示了幾顆水膽琥珀和沙礫琥珀。

▲包童向記者介紹的砂膽琥珀

輕輕晃動之下，就算是過了億萬年前，琥珀裡的水滴和沙礫依然清晰可見。“也是因為這一點，琥珀具有非常高的埋藏學研究價值，我們可以忽略時間的影響，根據這些環境資訊的細節設想這些古生物當時的生存狀態。”

▲水膽琥珀的細節

談及此次研究所提到的琥珀——緬甸琥珀，包童也很激動：“緬甸琥珀算是恐龍時代的琥珀，它裡面包裹的內容物非常豐富”。據悉，緬甸琥珀不同於人們熟知的波羅的海琥珀和撫順琥珀，主要來自於緬甸北部克欽邦，處於在中生代白堊紀時期，也就是大約一億年前。因為包裹的內容物非常豐富，科學界普遍認為其對研究昆蟲與植物的演化有著重要的價值。

“除了咱們常見的昆蟲和植物，（緬甸琥珀裡）還有很多其他的生物體，”包童介紹道：“像是螃蟹、蠍子、蝸牛，稍微大一點兒的還有青蛙、壁虎，甚至小恐龍或者鳥的羽毛都有，這些都是挺罕見的，研究價值特別高。之前王老師發現的一塊琥珀裡就包含了菊石，那是海洋生物。”

▲水膽琥珀的細節

據悉，今年5月王博研究員所發現的這塊包含了菊石的琥珀裡，還有其他 40 多種生物，其中就包括螺類、蟎蟲、蜘蛛、蟑螂、甲蟲等至少 12 個昆蟲成蟲標本，而在此之前，普遍認為菊石這類海生無脊椎動物，在理論上是不可能出現在琥珀中的。

琥珀研究的未來會是怎樣的？會有更多秘密等待著被人類挖掘和發現嗎？前路漫漫，隨著科學技術的不斷髮展，相信未來會有更多精彩的發現值得我們期待。

參考文獻：

［1］ 張紅玉。《蟲媒植物與傳粉昆蟲的協同進化（一）——傳粉昆蟲對蟲媒植物進化所起的作用》，四川林業科技，2005年6月26期26卷，38-40。

本文來自：北京科技報