一篇寫了8年的論文

我承認化石以及火山凝灰岩的發現都有一些運氣的成分,但是如果沒有持續不斷的野外工作,沒有研究組許多學生和同事不計得失的堅守,運氣又怎麼能夠如此地眷顧我們呢?這就是天道酬勤吧。

自從返回修改稿後,心裡總有幾分我這個年紀不該有的焦慮和期盼,每天在焦急地等著郵件,等來論文被接受的郵件後仍不放心,時不時就會去查看“National Science Review” 的網站,檢查論文是否上線了。

6月12日終於等來期盼中的消息,我們題為:“Uplift, Climate and Biotic Changes at the Eocene-Oligocene Transition in Southeast Tibet”的論文在“National Sicence Review”上線發表了(https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwy062/5036537)。

青藏高原東南緣(包括橫斷山地區)是生物多樣性的熱點地區,現代生物學有許多研究在探索這一區域的物種形成與演變,分佈區的格局;地質學中也在探索青藏高原東南緣是什麼時候抬升到現在的高程?東南緣的抬升和青藏高原整個抬升之間有何相關性?

青藏高原東南緣(橫斷山)是全球生物多樣性的熱點地區之一, 這個區域的抬升對這個區域的物種形成分化,生物多樣性熱點的形成和演變又有什麼的影響?

關於這個地區的古高程的研究大多依據生物地層對比開展,認為抬升發生在新近紀以後(Clark,2005),而越來越多的證據表明青藏高原的比人們之前認為的要早,要複雜得多。

許多分子系統學的研究也認為橫斷山的物種分化主要發生在新近紀(Ranner 2016)。

對於生物學和地質學的重要理論問題,化石往往能夠提供不可替代的證據以及新的視野。

2011年,我們研究組在西雙版納熱帶植物園開始組建,我們把地球環境演變和生物演化作為研究組的一個主要科學問題。

而青藏高原就是一個天然的研究地球環境演變和生物演化的天然實驗室,是研究這個科學問題的最理想的地區。

我們根據在雲南已有的基礎,打算從在青藏高原東南緣向青藏高原深入。那個時候研究組剛剛組建,研究經費捉襟見肘,只能利用在做其他項目的時候繞道去西藏芒康採集化石。

陶君容老師發表過西藏芒康的植物群的論文(陶君容、杜乃秋,1987),但是僅僅根據文獻資料要找到化石還是比較困難的。

2011年第一次的野外工作由蘇濤帶隊,他們一行四人在芒康卡均村轉了一天都沒有發現化石,當他們就要失望而歸的時候,終於發現了一小片的葉子,儘管這片葉子保存並不好,但是這等於是找到了線索。

此時天色已晚,加之其他項目的工作不能耽誤,採集了少量化石之後,他們離開了芒康。

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圖1. 西藏芒康卡均村(化石產地)

第二年我們組織隊伍對芒康化石植物群進行專項採集,在第一次發現化石層位,也就在論文中被稱為MK1的層位,不斷有化石被發現,這些化石大多是代表高山灌叢的小葉類型,種類組成上還比較單調。

有一天一位當地藏族老鄉拿著一塊化石問道:這是不是你們要找的東西?

蘇濤一看,大喜過望。

這是一塊殼鬥科櫟屬青岡亞屬的化石,青岡亞屬植物都是常綠喬木,大多數是亞熱帶常綠闊葉林的優勢種和建群種,海拔分佈一般不超過3000米,卡均村現在的海拔為3900米。

青岡化石的發現表明這裡曾經有過常綠闊葉林的存在,意味著要麼這裡發生過海拔抬升,要麼全球溫度經歷過激烈的降低,或者說兩種情況都同時存在。

這個重要的發現,使我們激動不已,讓老鄉帶我們去化石發現的地方,在這裡我們發現了大量的保存完好的青岡化石,與之伴生的有樺木的落葉類群,這是一個常綠落葉闊葉混交林的植物類群,這就是後來在文章中被標記為MK3的層位。

在同一地層剖面有兩套完全不同的植物化石群,這無疑是研究環境變遷生物演化的最為理想的材料。

拿到這些材料以後,我心中又有些隱隱的擔心,能把白菜做出海鮮味是本事,把海鮮做成白菜味是暴殄天物。

我是個知識結構有缺陷的人,小學到中學由於文化大革命學習都不完整。

在大學學的生物學,到了研究生學的是古植物學,這使得我的植物學和古植物學都不精通。

我成了那種在植物學家面前說自己是古植物學家,在古植物學家面前說自己是植物學家的人。

在我的帶領下,研究組到了野外就是找化石,沒有對地層剖面進行研究。

為了防止把海鮮做出白菜味,這需要對地層剖面進行認真的測量,搞清楚兩層化石層位間的相互關係。

由於我知識結構欠缺,研究組沒有地質學背景人,在其後的幾年裡,我們一邊採集植物化石,一邊請地質學的同行幫助進行剖面的勘測,搞清楚了地層的上下關係,更為重要的是在勘測地層剖面的時候,又發現幾層火山凝灰岩。

火山凝灰岩的發現,就等於是找到了記錄這些重要地質事件的鐘表,讓這批材料開始有了點海鮮味了。

就這樣前前後後,在5年時間裡我們在西藏芒康進行了6次野外工作,共採集了5000多件植物化石。

在實驗室裡,我們對化石進行了鑑定,又將火山凝灰岩送去進行絕對地質年代的測定,接下來就是數據分析和論文寫作,到論文在線發表,整整花了八個年頭。

借這個機會我要感謝一下,所有參加野外工作的學生和同行。

說了這麼多,讓我把這項工作的主要內容和亮點總結一下吧:

經過多年的野外工作,在西藏芒康縣新生代地層中發現了保存完好的植物化石和火山凝灰岩(圖一)。

植物化石分別產於4個層位,其中MK3和MK1層化石保存最佳,種類和數量都較多,能夠進行古氣候和古高程重建的研究。

另外,在這兩層化石的鄰近層位還發現了火山凝灰岩,為確定絕對地質年代奠定了基礎。

利用氬-氬法對地層中的火山凝灰岩進行了測年,結果表明位於下部的MK3層所代表的地質年代為34.6 ± 0.8 Ma,而位於上部的MK1層所代表的年代為33.4 ± 0.5 Ma。

這段時期地球歷史經歷了始新世到漸新世的轉折期(Eocene-Oligocene Transition,時間界限為33.9 Ma)。

整體上看,這套地層中的化石植物類群和青藏高原東南緣現代不同海拔的植物類群具有很高的相似度。

其中,MK3層所出產的化石主要類群為殼鬥科的常綠類群青岡亞屬植物(Quercus subg. Cyclobalanopsis)和落葉類群樺木科(Betulaceae),代表了常綠和落葉混交的森林;而MK1層的類群包括小葉的柳屬(Salix)、薔薇屬(Rosa)、高山櫟組(Quercus sect. Heterobalanus)等,代表了高山矮灌叢類型。

通過氣候-葉相多變量分析程序顯示,古溫度經歷了一定的降低過程。

利用溼靜態能原理重建了MK3和MK1層所代表的古高程,其中MK3層的古高程為2910 ±910米,而MK1層的古高程為3850 ±910米,表明該地區的古高程在始新世到漸新世的轉折期上升了約900米,並接近或達到現代的海拔高度3900米(圖2)。

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圖2. 利用化石植物群及溼靜態能平衡原理重建的古高程

這項研究有三個重要意義:

1)證明了青藏高原東南緣(包括橫斷山)的古高程在晚始新世就已經較高,早漸新世可能已經接近或達到了現在的高程,也許意示著橫斷山的地形地貌的基本格局在早漸新世就已經確立;

2)始新世-漸新世之交全球範圍內的降溫和青藏高原東南緣的繼續抬升,使得該地區的植被從常綠落葉闊葉混交林轉變為高山落葉灌叢,葉形顯著變小也是這種變化的一個重要特徵;

3)地形地貌是物種形成與演變的重要基礎,化石植物群物種組成表明,青藏高原東南緣植物多樣性的現代化面貌不晚於晚始新世就已經出現,這遠遠早於之前許多分子生物學研究估算的結果。

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圖3. 2012年的野外工作

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圖4. 2013年的野外工作

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圖5. 2014年的野外工作

在芒康工作開展的同時,在國家自然科學基金項目、第二次青藏高原考察和科學院先導專項等項目的支持下,我們研究組幾乎是每年都要兩上青藏高原,蘇濤博士畢業不到8年,前前後後上了13次青藏高原。

在青藏高原工作有種種預想不到困難,就以最近一次野外工作來說,一下子就有四五位同學產生嚴重的高山反應,而他們中有些之前上過青藏高原的。

儘管有困難,我們在堅持著,在西藏的中部、北部都發現了大量的植物化石,其中一些發現相當激動人心。我們希望通過我們的努力,逐步揭開青藏高原植物區系演變的面紗。

參考文獻

Clark MK, House MA and Royden LH et al. Late Cenozoic uplift of southeastern Tibet. Geology 2005; 33(6): 525-8.

Renner SS. Available data point to a 4-km-high Tibetan Plateau by 40 Ma, but 100 molecular-clock papers have linked supposed recent uplift to young node ages. J Biogeogr 2016; 43: 1479–87.

陶君蓉,杜乃秋,1987. 芒康中新世植物群及其樺木科化石記錄,植物學報,29:649-655.

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