史上第一顆豆豆?!白堊紀豆科化石新物種的發現

豆科是開花植物中的第三大科別,過往最早的化石紀錄為 6千5百萬年前新生代的北美洲,近期在墨西哥北部挖掘到新種豆科化石 Leguminocarpum olmensis。該化石為白堊紀晚期的化石,為史上最古老豆科化石的紀錄,也是目前唯一的中生代豆科化石標本。此證據支持分子證據推估豆科出現的年代,也支持白堊紀晚期北美南部為豆科早期演化的地點。

撰文|何郁庭

事物的起源,永遠是人們最喜歡問的問題之一;不論是生命、文明或科技,「某某某」從哪裡來,什麼時候出現的,背後總有個說不完的精彩故事,對於生物的演化,同樣是如此。化石,正是一個蘊含各種故事的的寶藏,它像是地球的日記,悄悄留下生物歷史變遷的痕跡。

● 現今最古老的豆豆化石出土

今天要說的,是關於豆類植物化石的故事。

如同《關於豆科亞科的新分類,你要知道的事》所說,豆科是世界上被子植物的第三大科,大約包含 730 個屬,19,400 個物種,並且具有高度多樣性。豆科廣泛分布於全球各地,在熱帶雨林及美洲的旱生林(dry forest)更是相當優勢的一類植物。

過去的化石記錄中,豆科植物最早可追溯到約 6千5 百萬年前的北美洲,莫約是新生代(Cenozoic)的古近紀(Paleogene)。不過,就在 2021 年,在墨西哥的科阿韋拉鎮附近,挖掘到白堊紀晚期(Late Cretaceous)坎帕期(Campanian) [1]  的化石紀錄,比過去所有的記錄還要更古老。

圖一、墨西哥科阿偉拉鎮位置圖|來源:Google map

 

最值得注意的地方是,它是史上第一個中生代(Mesozoic)的豆科化石紀錄,比過去最早的記錄還早了 8 百萬年!它同時具有現生豆科中不同亞科植物的特徵,且尚無法被歸類在任何一個亞科之下;根據化石獨特的形態特徵被判定為新物種,並根據發現化石的墨西哥地質層 Olmos Formation,將其命名為 Leguminocarpum olmensis

 

● 你可以說它是豆莢,那我可以說它是香蕉嗎

圖二、化石圖及線繪圖|來源:參考文獻 1

 

也許很多人會好奇,單憑那一塊灰灰的石頭,要怎麼看出它是個豆豆化石,甚至是發表新物種?看著那個彎彎的圖案,你宣稱那是豆莢,那我也可以假設這是一根香蕉吧。

儘管一眼看起來很像豆莢,但為了證實這是豆莢而不是其他植物的果實,研究人員下了不少「比較形態」的功夫:分別比較果實相似的植物 [2],如毛茛科的耬斗菜(Genus Aquilegia)、夾竹桃科的牛皮消(Genus Cynanchum)、紫葳科的風鈴木(Genus Tabernaemontana)等;此外,也查對墨西哥標本館內的植物臘葉標本與世界各地豆科化石的特徵,並整理形態總表 [3],系統性整理過往的證據。

雖然乍看之下只是塊不起眼的石頭,但這個標本可以說是個相當幸運的發現。就化石完整性來說,它保存了果柄形態,彎曲的莢果形狀,柱頭宿存的痕跡,縫線開裂的方式,還有外果皮脈形等相當多樣的特徵,而這些特徵正好是鑑定的重要線索。

豆科果實的祖徵為單一上位子房,子房單室,邊緣胎座且胚珠互生,且開裂的莢果會沿縫線打開。而上述果柄和果實連接的狀態,柱頭宿存,以及果實沿縫線開裂的情況,都與豆科的形態相吻合。


圖三、豆科果實示意圖。1. 宿存花萼及果梗。2. 邊緣胎座。3. 胚珠排成縱列,互生|來源:何郁庭 繪製

 

 

● 佐證分子生物推論的重要拼圖

同篇頭所說,化石就像是地球的日記,然而日記四散各處,所以我們也僅能依稀少的線索拼湊它的過去。而找到重要的拼圖後,接著要做的就是重建完整的故事。

根據過往的化石紀錄及推估豆科在岡瓦納大陸 [4] 起源的假說,豆科的發祥地位於晚白堊紀岡瓦納大陸上的雨林美洲-非洲區域,美洲與非洲大陸分開後,中美洲的豆類植物往南美、北美方向遷徙,並逐漸演化出迥異於非洲的豆科植物。

另外,根據分子親緣證據的推估,豆科的冠群(crown group) [5] 大約在 5千9百萬~7千萬年前出現,而這次發現的 L. olmensis 年代莫約 7千3百5十萬年,同時支持分子推定的年代,也發現中美洲當時具有豆科植物存在的確鑿證據。

形態上 L. olmensis 雖與不同豆亞科皆有相似的地方,卻無法被歸類於其中一個豆亞科之下,且年代早於冠群出現的時間,因此,這份化石很可能並不與現生豆類屬於同一個演化的支系。

儘管這次發現的豆莢是個四不像,這史上第一個中生代的豆科化石紀錄,無疑支持了墨西哥是豆科植物早期演化的地點,也串聯了現有的其他生物證據,說明豆科植物在演化上的高度多樣性。或許未來還有可能發現新的證據,推翻現在的紀錄,這一切都是可以被挑戰的!不過,這也得仰賴新的化石證據,搭配扎實的基礎研究工作,才能嘗試還原豆科家族史秘辛。

 

註解:

[1] 坎帕期(Campanian),白堊紀晚期中第五個時期。

[2] 該研究根據同地質層出現的植物,比較了6個科別共29屬的植物果實,包含木通科(Lardizabalaceae,2屬)、夾竹桃科(Apocynaceae,5屬)、毛茛科(Ranunculaceae,4屬)、山龍眼科(Proteaceae,2屬)、紫葳科(Bignoniaceae,10屬)、番荔枝科(Annonaceae,6屬)。

[3] 總表參 Centeno-González (2021) Supplementary Data

[4] 岡瓦納大陸(Gondwana)是存在於約5.73億-1.8億年前的超大陸,於侏儸紀前期開始分裂,此大陸包含的範圍涵蓋現今的南美大陸、非洲大陸、南極大陸、澳洲大陸、印度次大陸、西蘭大陸,和阿拉伯半島。

[5] 冠群(crown group),指一個演化支中所有現存成員的最近共祖,及該祖先的所有後代。

 

參考資料:

  1. Centeno-González, N.K., Martínez-Cabrera, H.I., Porras-Múzquiz, H. et al. (2021) Late Campanian fossil of a legume fruit supports Mexico as a center of Fabaceae radiation. Communication Biology. 4:41. https://doi.org/10.1038/s42003-020-01533-9
  2. Xiangchuan Li, Steven R. Manchester, Julian E. Correa-Narvaez, and Patrick S. Herendeen (2021) An Extinct Fruit Species of Fabaceae from the Early Eocene of Northwestern Wyoming, USA. International Journal of Plant Sciences. 182(8):730-746. https://doi.org/10.1086/715634
  3. Wang, Q. (2012). Nomenclatural notes on Leguminosites and several taxonomically relevant names (fossil Leguminosae). Taxon, 61(4), 871–877. http://www.jstor.org/stable/41679317
  4. Jeff J. Doyle, Melissa A. Luckow (2003) The Rest of the Iceberg. Legume Diversity and Evolution in a Phylogenetic Context. Plant Physiology. 131:3. 900–910. https://doi.org/10.1104/pp.102.018150
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