石化森林的远古火痕

通过 凯蒂·伯克(Katie L.Burke)

僵化的木材表明,超过2亿年前,地面大火正在重塑森林并影响植物的进化。

生物学 演化 植物学 气候学 生态 林业 地质学 自然历史

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这篇文章从发行

2021年1月至2月

第109卷第1期
Page 6

DOI: 10.1511 / 2021.109.1.6

当布鲁斯·拜尔斯(Bruce 通过 ers)将一块石化木材带回家时,他在父亲于2012年去世后继承了这块石化木材,他并不打算将其变成新的研究领域。他的父亲在1980年代在犹他州的熊耳朵收集了一块大块岩石,并长期将其用作门挡。但是,随着2.1亿年前的化石新近出现在他的家中,拜尔斯(Byers)感到有些不安。古老的原木向他望去,好像有一块火疤(下面,在右边),这是由于低强度地面火灾而在树的底部发生的木材生长。树皮下的一小块活组织被杀死,而这棵树则生长出卷曲在伤口周围的疤痕组织作为响应。拜尔斯回忆说:“我想,‘这很有趣。我从未听说过化石有火的痕迹。’”

由Bruce 通过 ers提供

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尽管Byers从未研究过古代木材-他是一名环境顾问,并拥有生物学博士学位-但他在完成研究生工作后,于1980年代与研究人员一起研究了现代木材上的火痕。为了解决他对是否有人在像他父亲那样的标本上发现化石火疤的好奇,拜尔斯开始寻找有关该主题的研究或报道,但他没有提出任何建议。因此,他给石化森林国家公园打了个电话,并最终打电话给首席古生物学家,他将拜尔斯介绍给了古植物学家西德尼·阿什(Sidney Ash),他已经研究了公园的古老木材超过30年,后来成为美国密西根大学的退休教授。新墨西哥州阿尔伯克基(Ash于去年去世)。当Byers到达Ash时,后者回答:“什么是火疤?”拜尔斯回忆说:“我意识到现代消防生态学家与一直在研究化石的古植物学家之间存在这种脱节。古植物学家没有搜索图像。”即使从这个地质时期和地方对木炭的研究中知道了古代大火的存在,但拜尔斯感到惊讶的是,没有人记录过一棵烧焦化石的例子。

拜尔斯很惊讶地发现没有人记录过一棵火烧的化石树的例子。

拜尔斯决定将化石原木的横截面切开,以查看木材的细胞是否仍能被破译。拜尔斯说:“回想起来,我应该直接把它带到史密森尼国家自然历史博物馆。”但是,当时作为一个自认的业余爱好者,他找到了一家商用石材切割机和一个花岗岩台面抛光机来完成这项工作。经过切割和抛光的表面表明细胞是可辨认的。他可以更清楚地看到由火疤引起的压力细胞带。拜尔斯最终与史密森尼学会建立联系,当时他正在寻找可以回答有关古木的问题的专家。在那里,古植物学家丹·钱尼(Dan Chaney)帮助拜尔斯(Byers)在显微镜下拍摄了这些细胞的图像,然后发送给了葡萄牙科英布拉大学的树木年轮研究员卢西亚(LucíaDeSoto),他们对其进行了分析。

拜尔斯(Byers)与Ash,Chaney和DeSoto一起在2014年发表了关于最早记载的古代火疤的描述。 古地理学,古气候学,古生态学。其他研究表明,这段时期正是该地区气候变得更热,更干燥,更容易发生火灾的时期,但是这些研究无法确定火灾的强度,频率或对植物的影响。 2014年的研究首次显示了树木在数亿年前对火的反应。

拜尔斯(Byers)的经历使他相信,西南的石化森林中可能还有更多的火迹化石,而从未有人想到过寻找它。因此,在2013年万圣节的一周中,在晴朗,寒冷和大风的天气中,拜尔斯与他的女儿,自然保护区的安雅·拜尔斯和他的儿子,乔纳森·拜尔斯大学一起参观了亚利桑那州的石化森林国家公园。蒙大拿州,寻找更多有火痕的化石树干。

拜尔斯和他的家人发现火烧化石的例子很容易,这表明火在当时可能很普遍。

拜尔斯说,石化森林有“成千上万的树干可供观赏”,拜尔斯说,这是寻找这些化石的理想场所。亚利桑那州和犹他州现已石化的森林树木生长在三叠纪晚期,大约在2.25亿至2.03亿年前,沿着Pangea西海岸的河流系统生长。今天,该地区已成为沙漠。拜尔斯说:“这几乎就像是月球景观。” “这有点令人毛骨悚然。它迫使您想象一下时光倒流。”

这些石化的原木中只有一些以某种方式化石,可以使木材解剖结构完好无损。拜尔斯对公园的一部分特别感兴趣。拜尔斯说:“保存得最好的木材,仍保留着一些树干的底部,”。在为期一周的搜索黑森林和公园中其他森林的过程中,他们发现了13个例子,其中一个例子重31公斤,足够小,以至于乔纳森·拜尔斯(Jonathan 通过 ers)可以将其拖出来(在公园的允许下)进行准备和分析。

在三叠纪晚期热带气候中生长的树木包括主要的森林物种, 谷胱甘肽,一种古老的绝种针叶树。 通过 ers对木材解剖结构进行了分析的标本为 亚利桑那草以及2014年论文的样本。拜尔斯和他的家人以及前一篇论文的合著者以及瑞士日内瓦大学的树轮年代学家Markus Stoffel于2004年发表了该分析的结果。 科学报告 在2020年11月,该研究提供了更为明确的证据,证明古老的火疤可能并不少见,并且火可能会在此时影响树木的进化。

在史密森尼学会的专家的帮助下,拜尔斯在显微镜下对石化森林化石上的火疤周围的细胞进行了切割,抛光和拍照。他将这些图像发送给DeSoto,后者使用树环研究协议测量了细胞。在现代的火伤疤中,火的热量使细长的木质部细胞变形,这些木质部细胞传导水,使它们压缩并塌陷。干旱还在细胞壁的厚度和细胞大小上留下了标志,这是一种在资源匮乏时增加水传导性的适应措施。干旱的信号通常发生在火疤之前,而之后通常会释放出生长物,这时其余的活树资源丰富。

摘自B.A.Byers等人的《 2020年》 科学报告 10:20104.

在这个古老的木材样本中,他们发现了导致火疤的干旱迹象,在火疤时木质部细胞被压缩和塌陷,随后又释放出生长物(见上面的照片)。拜尔斯解释说:“生长释放与我们在第一个标本中看到的相同,但是这次我们还看到了导致火灾的干旱信号。这看起来很独特,在一棵2.1亿年前的树上,您可以测量干旱。”

拜尔斯及其合作者的这项新研究进一步证实了低强度地表火是古代黑森林三叠纪晚期气候的常规组成部分,并且可能有利于树木适应火势的演变。拜尔斯说:“仅凭外部形态就很难说出这些只是火伤痕迹,因为它们位于树的基部并且具有独特的形状。然后,我们证明木材的解剖结构与现代树木的反应非常相似。”

当气候与今天截然不同的时候,化石的火伤痕迹可以洞悉古代森林大火的规模和程度。澳大利亚科廷大学的Tianhua He,一位植物的古代火适应专家,他没有参与Byers的论文,他说:“这项研究是朝着验证火作为远古进化力量的角色迈出的重要一步,因为对于火是自然选择的代理,它必须在许多周期中反复出现。这是第一项研究,证明经过漫长而潮湿的干燥季节发生的火灾。”他说,未来的研究可以通过寻找更多古代化石森林中反复发生火灾的证据而在此基础上进行。

由Bruce 通过 ers提供

就像许多没有旺季的热带气候下生长的树木一样, 亚利桑那草 树木没有形成年轮,可以用来研究火灾,干旱和其他气候变量的频率。如果没有这些环,研究人员可以研究细胞结构的各个方面,以了解树是否遭受干旱或火灾,但他们无法就这些现象的年度或季节频率得出结论。拜尔斯指出:“我们的结果并不能真正告诉您每年的火灾情况。”不过,他和他的家人轻松地发现了看起来很烫伤的例子,这表明当时起火可能很普遍。拜尔斯说:“我们在黑森林之间相距不到半公里的距离内发现了三处化石火灾疤痕,这表明这可能是低强度的火灾造成的森林破坏。”定期进行的低强度地面火灾会使一些林木幸免于难,而这种情况可能有利于特定植物适应性的进化。

适应火烧的现代树木具有一系列特征,包括树皮浓密,容易从树桩上萌芽,对下部树枝进行自我修剪以保护树冠免受低火的伤害,并且对于针叶树来说,火后打开的球果(针叶树的进化要早于开花树木。这些特征的化石证据很少,并且没有太多研究关注此主题。拜尔斯建议:“有人应该仔细寻找能适应火灾的化石,化石锥,化石树皮等。”他还想知道在世界上其他石化森林中火伤痕迹是否被忽略了。他说:“我认为,如果去阿根廷化石森林之类的地方,并重复我们在石化森林中进行的快速侦察,就会发现一些东西。”现在,拜尔斯和他的合著者们已经牢固地建立了火生态学与古植物学之间的这一至关重要的纽带,从而释放了进一步激发人们对古代火和树木进化史的深刻见解的潜力。

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