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史恭乐：在这堆黑乎乎的煤团里，我发现了达尔文最讨厌之谜的谜底
大家好，我是史恭乐，来自中国科学院南京地质古生物研究所，主要从事植物化石和植物进化研究，今天想和大家分享我们是如何通过植物化石来回答达尔文的“讨厌之谜”的。
那么，是什么问题让大科学家达尔文都感到讨厌呢？这是一个关于被子植物的故事。被子植物就是会开花、结果的种子植物，它在我们的生活中无处不在。
并不是所有植物都开花。不开花的种子植物叫做裸子植物，包括我们熟悉的银杏、苏铁、松树、柏树等。
不过，全世界的裸子植物只有1000余种，被子植物有超过30万种。所以被子植物是现代生态系统的优势类群，我们在森林或者城市里看到的植物大部分都是被子植物。我们吃的粮食、蔬菜、水果全都来自于被子植物，衣服里用的棉、麻也来自于被子植物，建筑用的木材大部分也是被子植物，所以被子植物是一个和我们生活密切相关的类群。
但是，在整个植物进化历史上，被子植物出现得比较晚。大家都知道生命源自海洋，在距今4.7亿年的奥陶纪中期，海洋里的生物开始走向陆地，陆地植物便出现了。
早期的陆地植物非常矮小简单，它们并没有种子。直到距今3.85亿年的泥盆纪中期，种子和种子植物才开始出现。在那个时候，大型的树木和乔木也同时开始出现了，地球上开始出现森林。
但是，在巨型昆虫出没的石炭纪的森林里并没有被子植物，在恐龙称霸的侏罗纪森林里也没有被子植物。直到距今1.3亿年的白垩纪早期，被子植物才开始出现。证据就是我国一个非常有名的化石--辽宁古果，被认为是世界上第一朵花。辽宁古果的时代就是距今约1.3亿年的早白垩世。
可以看到，被子植物化石是突然在地层中大量出现的，和动物的寒武纪大爆发一样。而这就是达尔文所讨厌的。
因为达尔文认为，生物进化是逐渐过渡的，但是被子植物化石就像孙猴子一样，从地层中一下子蹦出来了，而且蹦出来很多，这让达尔文难以理解，因此称之为“讨厌之谜”。
在《物种起源》中，达尔文提到进化论的难点就是过渡类型的缺失。他甚至用了一整章（第9章）的内容来论述地质记录的不完整性。达尔文认为，生物之间的过渡环节并非没有，而是它们没有在地层中保存下来。
化石里真的没有过渡环节吗？
那么，事实究竟怎样呢？我们来看一下化石记录。
从距今3.85亿年最早的种子植物出现，到距今1.3亿年最早的被子植物出现，中间有2.55亿年的演化空白。很显然，被子植物是由早期种子植物演化而来的，那么这2.55亿年间的地质记录都是缺失的吗？并不是的。
其实在二叠纪、三叠纪和侏罗纪时期，存在着大量的植物化石，其中不乏和被子植物比较像的东西。
如果对古植物或者化石感兴趣的同学可能会认识它，这是我们国家二叠纪华夏植物群的一个代表类群，叫大羽羊齿。大羽羊齿植物只存在于二叠纪，它们的叶子就是中图和左图这样子，和右边现代被子植物的叶片非常相似。
但是，很少有人把大羽羊齿当作一种被子植物。为什么呢？因为我们现在还不明确大羽羊齿的繁殖器官长什么样子。
大家普遍认为，大羽羊齿可能是种子植物，但是又很少发现大羽羊齿长着种子的器官。上图是我们目前所发现的唯一一例可能是大羽羊齿长种子的器官。可以看到，化石里的小点就是种子，它们长在叶子上。这和现生的被子植物长种子的器官差别很大。
那被子植物的种子是怎么长的呢？被子植物最重要的特征就是花，被子植物的花由花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊组成。把被子植物的雌蕊剖开，就可以看到雌蕊里面的胚珠，胚珠就是种子的前体。
被子植物和裸子植物最重要的区别就体现在它们的名字上。裸子植物的种子是裸露的，而被子植物的种子多了一个包被，所以叫被子植物。被子植物的繁殖器官叫果实，而裸子植物的繁殖器官叫种子。
另外，裸子植物和被子植物的种子也是不一样的。裸子植物的种子只有一层种皮，而被子植物的种子有两层种皮，比裸子植物多了一层，另外还多了一层果皮。这样，被子植物的种子就能得到更多保护。这也是被子植物能取代裸子植物，成为现代植物界霸主的重要原因之一。
前面说到，花也是被子植物的重要特征。虽然植物的花瓣非常柔弱，但是花仍然可以保存为化石。花保存为化石有两种形式。
如果花包裹在树脂中，就会形成琥珀。琥珀里面常常保存着非常完美的被子植物的花。如果植物遇到大型野火，整个植物体就会碳化变成木炭，花也会碳化，就会保留成一朵碳化的植物花。我们能碰到的植物花化石大部分都以这两种形式存在，要么被裹在琥珀里，要么被烧成了一粒炭。
而想要回答“讨厌之谜”，就要在野外寻找更多的化石。
到露天煤矿寻“宝”
近10多年来，我的课题组的工作主要在一些白垩纪的露天煤矿开展。为什么去煤矿呢？煤是由植物变化而来的，是一些远古植物的遗体。并不是所有植物都会形成我们常用的无烟煤。当植物埋藏得比较浅的时候，它们的变质程度很低，就会形成褐煤。
我们去的煤矿就是这些露天的褐煤煤矿。褐煤并不是很好的燃料，它们只能用来发电，发热量很低且污染很多。但是，这些没有完全煤化的植物遗体是做古植物学研究非常好的材料。
当我们到了这些露天煤矿，会看到煤层最顶部的褐煤就像森林里面的落叶堆一样，一层一层的都是植物化石，完全没有煤化。
我们把这些像落叶堆一样的褐煤带到实验室，放在水里边，它们就会像落叶一样浮起来。随后，我们就会用筛子把它们筛出来。我们有没有从里面筛出花呢？
当时我们还是有点失望的，因为我们并没有从这些褐煤中筛到花。但是我们找到了很多裸子植物的球果，它们就像我们在森林里面捡到的松果一样。这些化石是距今有差不多1.3亿年的白垩纪早期的植物，和恐龙同一时代。看上去很不可思议对不对？很多时候植物化石是可以立体保存的，可以为我们认识远古植物以及植物进化提供很多信息。
在这些植物中虽然没有找到花，但是仍然有一些非常有意思的发现。
这是其中一个有趣的发现，这个植物的种子就被一层皮包着。
我们把它放到电镜下时会看得更清楚。这是一种已经灭绝的植物，叫做盔籽植物。盔籽植物的种子被一个像头盔一样的结构所包裹着，这也就是它的名字的由来。
我们根据化石对这个植物进行了复原。
当我们把这层像头盔一样的结构剖开，就是左图的样子。虽然盔籽植物是一类裸子植物，它的种子只有一层种皮，但是又额外多了一层被托斗包裹的结构，这使得它们和被子植物具有两层种皮的种子很相似。
这种化石保存方式我们称之为褐煤化，它们虽然保存了一些三维结构，但是内部的解剖结构都没有得到保存。
看到植物化石的每个细胞
大家可能会疑惑，难道化石中还能保存植物的内部结构吗？是的，我们还真的发现了。
我们每年夏天都会到蒙古和内蒙的白垩纪露天煤矿开展野外工作。在2017年，我们这个国际团队在我国内蒙的早白垩世露天煤矿发现了硅化的植物化石。
大家对硅化植物化石这个名字可能会比较陌生，实际上它的另外一个名字就叫硅化木。
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