植物在陆地上的出现和扩张是地球上生命演化历史上的里程碑式事件，对全球物质循环以及气候演化具有深刻影响。探究陆生植物的起源并追踪它们扩张和演化的关键性时间节点是地球历史宜居性演变过程中一直备受关注的科学问题。 然而，由于早期地球陆相沉积物稀少，陆地植物宏体化石极度罕见，加之其分布的地层年代控制不佳以及分子钟计算模型的不确定性等问题，追踪维管植物在陆地出现和扩张的确切时间十分困难。
最近，来自中科院地质与地球物理研究所的陈代钊研究员与中科院地球化学研究所的冯新斌研究员共同领导的研究团队，通过在华南地区古生界沉积岩的汞同位素地球化学的记录，证明了维管植物在志留纪早期（约444Ma）已经在陆地广泛分布并深刻影响地球表生环境。合作单位包括中科院西双版纳植物园，中科院南京地质古生物研究所，中国地质调查局，英国开放大学和美国查尔斯顿学院等。
汞(Hg)是常温常压条件下唯一以液态形式存在的重金属元素，并可以通过大气环流以气态单质形式(Hg0)在全球范围内传输。对现代森林汞循环的研究发现，植物树叶吸收大气中的Hg0，并以凋落物的形式输入到陆地系统。陆地植被将大气 Hg0 转移到陆地生态系统中，并继承其明显偏负的非质量分馏特征 (Δ199Hg和Δ200Hg)。随着陆地植物的扩张和对陆地风化程度的加大，这些含有负Δ199Hg 和Δ200Hg 值的汞会被输送到近岸海洋环境，并改造原本偏正的海相沉积物汞同位素特征。因此，汞同位素体系的地质记录为有效地示踪陆地维管植物在陆地上的扩张提供了一种新的示踪体系。
本研究分析并收集了华南地区自寒武纪至二叠纪涵盖不同沉积相的沉积岩汞同位素数据。数据整体而言展示了两期特征性的汞同位素负漂事件，分别发生在志留纪早期和石炭纪，展示了植物两幕次的快速扩张（图1）。通过对现代植物地球化学特征和古代风化模型的限制，排除了早期低等非维管植物对地球化学数据的影响，确认该信号主要由维管植物导致，并通过建立数值模型估算了陆生生物对古生代生物体量贡献的长期变化，发现了植物扩张时期伴随了地球大气含氧量增加和气候变冷时间。这项研究将早期维管植物在低纬度地区扩张的时间推早至志留纪早期（约444Ma），这比已知最早的宏体维管植物化石库克逊蕨早近两千万年。
研究成果发表于国际学术期刊Science Advances（Wei Yuan#, Mu Liu#, Daizhao Chen*, Yao-Wu Xing, Robert A. Spicer, Jitao Chen, Theodore R. Them, II, Xun Wang, Shizhen Li, Chuan Guo, Gongjing Zhang, Liyu Zhang, Hui Zhang, and Xinbin Feng* . Mercury isotopes show vascular plants had colonized land extensively by the early Silurian[J]. Science Advances, 2023, 9 (17): eade9510. DOI: 10.1126/sciadv.ade9510）
图 古生代汞同位素非质量分馏(a) Δ199Hg 和(b) Δ200Hg特征演化趋势图
(环境室袁巍/供稿)
