刺刺植物為何有刺?西藏化石告訴你!

如果想知道以前的棘刺長什麼樣子,化石可以說是個最直觀的證據,然而要知道過去的古氣候,以及古植物、古動物的交互作用,就必須重建當時的氣候,並從間接的證據推測過去生態系的狀態。一篇研究報告指出,始新世中期(約莫三千九百萬年前)的西藏中部,具有極高的有刺植物多樣性,且多樣性的增加,與生物性/非生物性因子皆有關聯。

撰文|何郁庭

「啊,又被刺到了。」生活中有刺的植物不勝枚舉,食用的也好,觀賞的也罷,長在枝條或葉子上的刺,總讓你在不留神的時候被扎上好幾針。一直以來,植物的刺都被認為是用來抵禦大型草食動物的特徵,不過,你有想過,這些植物的棘刺如何出現、它們祖先又長什麼樣子嗎?

圖一|生活中有刺的植物不勝枚舉。來源:pexels-Markus Spiske

 

今年,一篇《Nature Communication》的研究報告中,研究人員試圖利用西藏中部地區始新世(Eocene)時期的化石證據,觀察有刺植物的特徵,並重建當地當時的植群、氣候、大型草食哺乳動物,了解過去環境中,植物、動物與氣候的交互關係,進而了解當時有刺植物的多樣性。

 

棘刺的功能和外觀

有刺植物(spinescene)最重要的特徵就是「刺」,它們其中一項功能是保命——避免大型植食者吃掉自己,所以,也有人戲稱有刺植物為「難吃植物」。有刺植物常出現在半乾旱至乾旱地區的開闊環境,如疏林草原(savanna)或是林冠開闊的森林,因為大型植食者很容易在這樣的環境出現,有刺植物可能為了避免動物食用,才逐漸演化出可以自我防衛的構造。

圖二|不同形態的有刺植物。a, g為現生植物(a: 羽萼懸鉤子(Rubus alceifolius); g: 柞木(Xylosma racemosa));b, e為皮刺(prickles),c為b的放大圖;d, h, i, j, k為枝刺(thorns),f為h的放大圖。來源:文獻1

一般而言,前述的環境並不容易保存化石,但研究人員卻在西藏中部協德(Xiede Valley)、達玉(Dayu Valley)兩個地點,挖出了許多始新世的植物化石(約莫三千九百萬年前),其中,有44個有刺植物的化石標本。研究人員依照刺形成的方式,將刺區分為皮刺(prickles)與枝刺(thorns)兩個種類,接著,再依照刺的著生方式、大小、角度等特徵,可更細分為7個類別。

 

過去的氣候與環境

有刺植物多半在有點偏乾旱的開闊環境生存,所以這些化石,很可能代表過去該地可能屬於偏乾旱的環境,但僅有這樣的證據稍嫌薄弱。因此,研究人員想用其他證據證明,始新世中期至後期,歐亞大陸上的古西藏地區,到底是不是他們所預期的偏乾的氣候。

透過達玉地區挖到的葉片化石植相,就得以使用氣候與葉片多變量分析(CLAMP, climate-leaf analysis multivariate program)推估過去的溫度、濕度、大氣壓力等資訊。除了計算模擬的古氣候,這個研究還利用草本植物化石中含量豐富的植矽體(phytolith)2作為另一項生物性的證據。

根據數值模擬的氣候來看,從始新世中至晚期,西藏中部呈現乾且冷的氣候,而這樣的氣候改變,與當時造山運動的時間相符。而從植矽體方面的分析,則顯示出植相的改變,隨時間推移,始新世早期的植物絕大多數為雙子葉植物,單子葉植物占比不及5%,然而到中期時,單子葉植物的比例竟提高至66%。這兩項證據都間接說明,古西藏中部的植群型態,正從鬱閉的森林植群,逐漸轉變為開闊的系統

 

植物與動物交互作用

在這個古生物舞台中,有了植物、有了氣候,最後一個要角,當然就是動物了。既然有刺植物的刺是為了抵抗大型草食動物的侵犯,那麼在相同的地點、地層發現動物化石,也是很理所當然的事情吧。

確實,從古近紀(Cenozoic,約莫六千六百萬至兩千三百萬年前)開始,西藏一帶一直陸陸續續有發現大型哺乳類動物,包含石炭獸科(Anthracotheriidae)、雷獸科(Brontotheriidae),以及其他奇蹄目的動物等。從譜系累積曲線(lineage accumulation curve)可發現不同分類群的數量在演化上的變化。新生代的歐亞大陸上,哺乳動物在始新世(約莫五千萬年以前)有第一次大幅增加的情況,第二次則落在漸新世(Oligocene,約莫四千萬到兩千八百萬年前)。而第二次譜系大幅增加的時期,正好與有刺植物增加的時間點吻合。某種程度而言,

這項證據佐證了當時動物與植物的共演化

圖三|歐亞大陸新生代(Cenozoic)有刺植物與哺乳動物譜系累積曲線(lineage accumulation curve),箭頭處(~39Ma)為植物化石採集年代。來源:文獻1

 

結語

從找到植物化石開始,經過古氣候的重建、相關證據的比對,人們對始新世時期的西藏地區,終於可以說是有了相對清晰的認知了。由於本研究所採集的植物化石,時間位於有刺植物多樣性大幅增加的起點,因此這一批化石具有相當的代表性!

另一方面,非洲過去也有關於中新世(Miocene,約莫兩千三百萬到五百三十萬前)有刺植物化石的研究,對於植物、大型哺乳動物,以及疏林草原的環境,都是很相似的。雖然時間相差 2,400 萬年,但這樣植物/動物/氣候交互作用的案例,還是有所呼應。

有刺植物也好,難吃植物也罷,了解它們的功能與來歷後,或許下次看到植物身上的棘刺,你也能用不同的角度去欣賞植物精心設計的武器!

 

註解:

  1. 皮刺(prickles)是由表皮特化形成的刺。枝刺(thorns)則是由原本要長成枝條的構造所特化。
  2. 植矽體(phytolith)是許多植物內存在的二氧化矽小體,不同的植物具有不同形態的植矽體,考古學與古生物學常利用植矽體作為古植物的存在證據,甚至可依植矽體的種類做植物鑑定。

 

參考資料:

  1. Zhang, X., Gélin, U., Spicer, R.A. et al. Rapid Eocene diversification of spiny plants in subtropical woodlands of central Tibet. Nat Commun 13, 3787 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-31512-z
  2. Rapid Eocene diversification of spiny plants in subtropical woodlands of central Tibet - Behind the Paper
    https://ecoevocommunity.nature.com/posts/rapid-eocene-diversification-of-spiny-plants-in-subtropical-woodlands-of-central-tibet







 

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