植物化石为我们提供了冰河时代森林可能是什么样子的线索

几亿年前，地球还只有一个名为盘古大陆的超级大陆，那时的古代植物经历了严酷的冰河时代。

一项基于植物化石和气候模型的新分析表明，这些寒冷的条件会限制整个盘古大陆的树木覆盖。正如 10 月 11 日《美国国家科学院院刊》报道的那样，这反过来会对气候和植物进化的进程产生深远的影响。贝勒大学生物学家、这项研究的合著者威廉·J·马特豪斯说，了解植被在这种恶劣环境中的生存状况也可以帮助我们为未来做好准备。

“我们可以利用大量有关灭绝植物的信息，定量推断地球在自然历史中的情况，”他说。“如果我们希望了解未来气候将如何变化，我们就真的需要这样做。”

在冰河时代，冰川在一系列冰期和相对较暖的间冰期中前进和后退。严格地说，我们现在正处于冰河时代，经历着大约 11,000 年前开始的间冰期。上一次间冰期被称为晚古生代冰河时代，跨越约 3.4 亿至 2.85 亿年前。其特点是冰川覆盖大部分陆地和海洋的时期，以及大气中二氧化碳和氧气水平的剧烈波动。

Matthaeus 表示，冰河时期的植物群落与今天的植物群落截然不同。一种被称为石松的植物群落，如今包括石松等微小湿地植物，通常长到几十米高。其他植物，如以蕨类植物般的叶子而闻名的种子蕨，没有现存的亲属。它们也有更常见的树木（如针叶树）的祖先或早期亲属。

Matthaeus 解释道，这些植物会以多种方式影响周围的气候。植物（尤其是树木）会产生氧气并锁住大量的碳。它们的根系会破坏岩石，然后岩石会更快地溶解，并改变淡水径流和海洋表面的化学成分，从而改变海洋可以储存的碳量。植物还会吸收、储存水，并将水释放回大气中。“它们在某种程度上缓冲了水循环，”Matthaeus 说。“直接返回大气的 [雨水] 量，而不是成为径流或地下水，受到植物的强烈影响。”

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他和同事们想知道在古生代末期冰河时期森林的分布范围有多广。他们首先利用化石测量数据确定了与古代植物如何利用水和碳有关的几个特征。他们研究的一个特征是气孔，即植物叶片上的微小开口，控制着二氧化碳、水蒸气和氧气的进出量。

马特豪斯说：“从植物的功能来看，这是一个非常重要的结构，因为它们不想失去比必须更多的水分，但它们想吸收尽可能多的二氧化碳。”这类信息有助于研究人员了解植物的功能，以及植物的功能如何影响森林覆盖率。

研究人员还利用计算机模型模拟了植物在冰期和间冰期期间所面临的气候条件。根据他们确定的环境和解剖学限制，研究小组发现植物可能在盘古大陆的许多地方生长。马特豪斯说，这些估计与发现化石植物的地点基本一致。

然而，这些重建并没有考虑到冰冻温度对植物造成的巨大压力；有些物种在暴露不到一天后就死亡了。研究人员估计，即使在许多没有冰川的地区，危险的寒冷条件也会影响到植物。

“这是一个冰河时代，因此在冰期和间冰期情景中，地球表面的很多地方在一年中的不同时间都非常寒冷，”马特豪斯说。除了他们考虑的光照水平、平均温度和水资源可用性等其他变量之外，这可能还限制了森林的分布，他说。“如果我们对冰冻的预测是正确的，那么森林覆盖率可能真的会受到人们过去认为的森林覆盖率的限制。”

研究人员得出结论，在冰冻和解冻温度循环期间，植物被杀死并开始重新生长，这将对径流、侵蚀和二氧化碳水平产生复杂的影响。下一步，马特豪斯和他的团队将进一步研究周期性冰冻对古生代植物的影响。他补充说，还需要对盘古大陆的地形进行更多的研究，这是另一个影响冰河时期森林覆盖率和气候的重要变量。

这些冰冻可能还帮助了特别耐寒的植物，包括构成当今泰加林和北方森林的树木的祖先，在许多其他树木灭绝的同时，它们占据了植物群落的主导地位。“季节性干旱和冰冻的结合确实为能够生存下来的植物带来了巨大的进化优势，”马特豪斯说，“而针叶树肯定是其中的一个候选者。”