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古植物学的故事（26）：古植物学有什么用?
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古植物学的故事（26）：古植物学有什么用?
发表于 2010-1-17 15:01:42
Story of Palaeobotany Series (26): What can palaeobotany be used to do? (by Qigao Sun )(in Chinese)
关键词：古植物学；功用；哥德巴赫猜想
孙启高
2010年元月12日写于美国，元月16日晚修改
科学是什么？科学有什么用？如何理解科学与技术、科学与政治、科学与社会、科学与艺术、科学与宗教、科学与哲学以及科学与道德之间的关系？这些老生常谈的问题应该都是很好的问题，是科学工作者不能回避的问题，这些问题恐怕是永远也不会过时的问题。科学网创建了一个很好的博文专题叫“谈谈科学”，该专题汇集了许多值得一读的文章。
科学研究不是在真空中进行的。我们的工作离不开家人和同事的支持，也离不开许多学术机构和广大纳税人的支持。对于远离人们日常生活的古植物学研究，经常有人问：“古植物学有什么用？”有些项目主管和领导也经常问：“古植物学与国家需求有什么关系？” 在实际工作中，我们不得不面对、不能不回答这些问题。我感到有责任、有义务利用一期《古植物学的故事》专门回答这些问题。
一、维基百科对术语“palaeobotany”（古植物学）的解释
Paleobotany, also spelled as palaeobotany (from the Greek words paleon = old and "botany", study of plants), is the branch of paleontology or paleobiology dealing with the recovery and identification of plant remains from geological contexts, and their use for the biological reconstruction of past environments, and the evolution of both the plant kingdom and life in general. A synonym is paleophytology. Paleobotany includes the study of terrestrial plant fossils, as well as the study of prehistoric marine photoautotrophs, such as photosynthetic algae, seaweeds or kelp. A closely-related field is palynology, which is the study of fossilized and extant spores and pollen.
Paleobotany is important in the reconstruction of ancient ecological systems and climate, known as paleoecology and paleoclimatology respectively; and is fundamental to the study of green plant development and evolution. Paleobotany has also become important to the field of archaeology, primarily for the use of phytoliths in relative dating and in paleoethnobotany,
参见:
二、我对古植物学的认识
古植物学既是古生物学的一个分支，又是植物学的一个分支。它的研究对象是地质历史时期的植物化石（包括孢子与花粉），研究内容包括化石植物的形态解剖与系统分类，探讨植物的起源演化和环境变迁。因为古植物学涉及到地层学、古地理学、古气候学和古生态学，所以它在寻找矿产和探讨含有煤炭、石油等矿产地层的分布、划分和对比等方面具有很重要的应用价值。由此可见，古植物学是植物生物学、古生物学及环境科学相互交叉、相互渗透的研究领域。植物化石不仅是探讨植物起源演化的最有力、最直接的科学证据，而且是运用生物学思想方法研究全球环境变化的珍贵材料。全球环境变化问题是当前各国政府和科学界面临的重大科学问题和社会问题。中国是开展植物演化和全球环境变化研究的不可或缺的重要地域，加强中国古植物学的研究具有重要的科学意义和现实意义。
参见：
三、古植物学与国家需求之间的关系
中国古植物学兴起于20世纪初，经过几代人的不懈努力虽在本土化、国际化的历史进程中取得了重要进展。半个多世纪以来，中国古植物学的研究人员(包括标本采集人员)主要分布在中国科学院、地质矿产、高等院校、博物馆诸多部门，但是各部门的发展水平极不均衡且极不稳定。从国家层面看，在未来相当长的一个历史时期中国有必要急需加强古植物学研究的国家体系建设。
事实上，目前中国地区馆藏植物化石标本的数量少得可怜。中国古植物学的研究基础是极其薄弱的，与中国地大物博、植物化石资源丰富是极不相称的，在研究基础、研究体制、研究水平、人才培养等方面存在亟待解决的问题。
美国是古植物学的学术强国之一，它的研究力量主要分布在高水平的、研究型博物馆。美国一些大学的古植物学研究也“博物馆化”，即在大学所属博物馆进行。
在未来的漫长岁月里，我们不仅要努力在中国大地上建设世界一流大学，而且要建设世界一流的科研院所、博物馆、标本馆等等，这是功在当代、利在千秋的伟大事业。在人类探讨自然历史的进程中，古植物学是不可或缺的内容，对探讨植物进化具有不可替代的作用和意义。中国疆域辽阔，是古植物学研究不可或缺的地理与地质区域。广大中国同行（包括科学政策制定者、决策者和管理者）应该直面中国与美国古植物学的巨大差距，从国家层面逐步提升中国古植物学的综合实力与国际竞争力，为创建一流大学、一流科研院所、一流博物馆或一流标本馆做些实实在在的贡献。
参见：
四、古植物学的作用
古植物学的研究对象是地层中的植物化石（包括孢子和花粉），产自不同地区、不同地层的研究材料是丰富多样的。所以，古植物学的研究内容是丰富多彩的，同时决定着学科功用具有多样性，但主要体现在两大方面，一个是学术价值，另一个社会服务功能。
1. 植物化石是探讨植物起源演化的最有力、最直接的科学证据，丰富多样的植物化石组成人类探讨植物进化的事实体系。
探讨植物的起源与演化是古植物学的永恒主题。在谈论问题的时候，我们常说：“要用事实说话!”植物化石是会“说话”的石头，是我们认识植物进化的铁的事实证据。
植物的系统性、多样性和复杂性在漫长的地质历史时期先后经历了如下几个重要发展时代，即：菌藻植物、早期陆地维管植物、蕨类植物、裸子植物和被子植物。探讨这些类群的演化方式和过程一直是古植物学研究的热点和难点。最近20多年的研究表明，产自中国地区的植物化石为古植物学研究注入了活力。
2. 植物化石是探讨地质历史时期全球环境变化的珍贵材料。采用生物学思想方法利用植物化石重建古环境、古地理和古气候，这是古植物学的一大亮点。
已故著名植物学家和古植物学家徐仁和他的同事们曾应用高山栎化石研究了青藏高原的抬升历史。1964年，在西藏聂拉木县希夏邦马峰北坡海拔5700-5900 m地带的中-晚上新世（距今约三、四百万年）的砂岩（野博康加勒层）中，发现一个高山栎化石层，保存着高山栎（Quercus semicarpifolia）、类似黄背栎（Quercus cf.pannosa）、灰背栎(Quercus senescens)和其他种类的叶化石。
现代高山栎是分布于喜马拉雅山区和我国西南湿润地带的现代常绿乔木，多生长在海拔2200-3600 m山区。黄背栎和灰背栎是我国现代西南特产的常绿硬叶亚热带植物，多生于2300 m左右的石灰岩地区。由此推测，化石产地在上新世中-晚期的海拔高度可能在2500 m左右，希夏邦马峰的山脚地带在上新世以后的2000-3000 ka间抬升约3000 m。该研究是用生物学方法定量分析青藏高原隆升这一重大科学问题的开拓性研究，至今在国内外学术界仍有重要影响。
3. 古植物学是植物生物学和古生物学的重要教学内容。
植物化石为我们认识植物演化和全球环境变迁提供了看得见摸得着的依据。学习古植物学有利于学生学习进化论，有利于他们树立科学的自然观。植物起源与进化问题属于科学与哲学的基本问题。
已有的植物化石证据表明：植物进化经历了由简单到复杂、由低等到高等的历史过程。早期陆地维管植物的起源和演化是关系到整个地球生物演化的重大事件，对全球陆地生态系统的演变格局产生重大影响。毫无疑问，植物进化的历史是研究自然历史的重要内容，也是研究自然哲学的重要内容。
4. 植物微体化石主要包括细菌、藻类、孢子与花粉等化石，可用于生物地层对比。
研究者通过对从钻孔中取得的岩心进行试验分析获取研究材料，在显微镜下进行分类鉴定，然后开展生物地层对比研究。 中国所有的大中型煤田、油田、油气田甚至沉积铁矿等的勘探与开发，均离不开这方面的实验分析和科学指导。
我有一位古植物学同行邓博士，他在石油与勘探规划研究院工作。邓博士在古植物学领域发表了很多研究论文，但他现在的主要工作不是写论文，而是利用植物微体化石开展生物地层对比，终极目标是寻找油田或油气田。这种工作应该是写在中国大地上的大文章！
5. 植物化石的采集、研究和展示可以为建设世界一流的博物馆做贡献，进而体现古植物学的社会服务功能。
美国、英国、德国、瑞典等国的博物馆收藏有丰富的植物化石标本，如位于美国首都华盛顿的史密松国立自然历史博物馆(Smithsonian Institution National Museum of Natural History)、英国自然历史博物馆（伦敦）、德国柏林自然历史博物馆和瑞典斯德哥尔摩自然历史博物馆都拥有雄厚的植物化石标本积累。从国际古植物学的发展现状和趋势来看，博物馆不仅是从事古植物学研究的重要基地，而且是展示植物进化历程的重要场所，从而体现古植物学的社会服务功能。
值得注意的是，欧美一些大学的古植物学研究也“博物馆化”，即在大学所属博物馆进行。
6. 古植物学可以为合理利用矿产资源提供科学指导。
有些矿产资源的形成与植物密切相关，如化石硅藻形成硅藻土，成煤植物在特定条件下形成煤田。深入研究化石硅藻和成煤植物可以为合理开发有关矿产资源提供科学指导。
硅藻土（diatomaceous earth）由单细胞水生植物----硅藻沉积形成，是特殊的植物化石。中国的硅藻土储量丰富，具有重要的工业应用价值，常用作保温材料、催化剂载体、过滤材料、填料、研磨材料等等。
非常有趣的是，有些硅藻土富含动植物化石，如山东临朐县境内的山旺中新世（距今约1500万年）硅藻土地层埋藏有大量的动植物化石，被人们称之为闻名于世的山旺化石宝库。
科学界普遍认为，煤是地质历史时期的植物体在特定的生物化学与物理化学作用下经过漫长的沉积而形成的，成煤植物是丰富多样的。古生代石炭纪至二叠纪时期的成煤植物主要是蕨类植物。中生代侏罗纪的成煤植物主要有苏铁、松柏类、银杏类等裸子植物。新生代的成煤植物主要裸子植物中的松柏类和一些比较原始的被子植物。
7. 古植物学可以服务于自然保护、生态文明教育。
1997年，深圳仙湖植物园开始筹建化石森林。该化石森林是目前世界上最大的迁地保存展示的化石森林，已从世界各地收集硅化木800多棵。这些木化石(fossil wood)主要产自我国辽宁西部、新疆和内蒙古地区，已鉴定的种类有6属12种。产自印度尼西亚新生代地层的被子植物硅化木计有3属12种。
2001年中国国土资源部批准成立了“北京延庆硅化木地质公园”。该地质公园是中国华北地区唯一以典型稀有、珍贵的侏罗纪硅化木群为主体景观的国家地质公园，它已成为就地保护硅化木的基地。这些珍贵的硅化木保存精美，年轮清晰可见，为探讨华北地区的植被演替和环境变迁具有重要的科学意义。
8. 植物化石的艺术欣赏与审美趣味。
琥珀(amber)是一种古老的宝石。其实，琥珀是地史时期的树脂被埋藏于地下，经过一系列的化学变化和沉积过程而形成的树脂化石。琥珀的形状多种多样，内部常见昆虫。波兰的琥珀丰富，也非常著名。中国抚顺的始新世煤层也还有丰富的琥珀。
有些植物化石的显微结构保存完好，常令人感到无比惊叹。奥地利维也纳大学的Reinhard Zetter博士发明了一种技术，即用一根眉毛将单粒孢子或花粉化石从样品中挑选出来，然后放到扫描电子显微镜下观察。这样，我们可以非常清晰地观察到化石孢粉的表面纹饰等显微结构。纹饰的图案非常精美，让人感到趣味盎然。
五、结语
我在少年时代对著名数学家陈景润非常敬仰，他与哥德巴赫猜想的故事家喻户晓、令人振奋。陈景润对科学研究的执著与痴迷曾激励着无数青少年热爱科学、走进科学。然而，我们现在生活在急功近利、极为浮躁的社会里，追问科学研究的功用已成为人们的一种习惯或思维定式。坦率地说，我一直对研究哥德巴赫猜想的实际功用一无所知。但我认为，很多基础科学的研究在相当长的历史时期可能没有任何实际应用价值，但具有重要的学术价值或美学意义。
与陈景润痴迷研究的哥德巴赫猜想相比，古植物学的研究显得并不抽象，而是很具体的，因为它的研究对象是看得见、摸得着的植物化石。而且，古植物学的研究既有理论意义又有应用价值，这些都是容易理解的。看来，古植物学并不像哥德巴赫猜想那样离人们的实际生活极为遥远。然而，古植物学是一个很古老但又充满挑战的研究领域，拥有许多亟待研究的难题，如：早期陆地植物是如何进化的？被子植物是如何起源的？植物与动物是如何协同演化的？这些问题正是古植物学的“哥德巴赫猜想”！
参考文献
徐仁，陶君容，孙湘君.1973. 希夏邦马峰高山栎化石层的发现及其在植物学和地质学上的意义.植物学报，15（1）：102~119
徐仁.1981.大陆漂移与喜马拉雅山上升的古植物学证据.见：中国科学院青藏高原综合科学考察队.青藏高原隆起的时代、幅度和形式问题.北京：科学出版社，8~18
孙启高，2008，如何利用化石植物定量研究古海拔？地质论评，54（2）：145-154
[End]
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