کشف کهن ترین کهربای جهان در رگه زغال سنگ چین

ذره‌ای بسیار ریز از رزین فسیلی، نه بزرگ‌تر از نوک سوزن، دیرینه‌شناسان را وادار کرده است زمان آغاز توانایی گیاهان در ساخت مواد شیمیایی دفاعی پیچیده را از نو بررسی کنند. این نمونه از آن نوع کهربای درخشان و جواهرمانندی نیست که مجموعه‌داران شیفته‌اش هستند. در واقع، مجموعه‌ای از دانه‌های میکروسکوپی پنهان در یک رگه زغال‌سنگ باستانی است که از مهارتی زیستی خبر می‌دهد که بسیار زودتر از تصور دانشمندان تکامل یافته بود.

وقتی رزین ۱۵۰ میلیون سال از دایناسورها قدیمی‌تر است

این قطعات از سازند هوجیرسیت در شمال غربی چین به دست آمده‌اند. سنگ میزبان به دوره دونین میانی، حدود ۳۸۵ میلیون سال پیش، نسبت داده شده است. این زمان‌بندی نشان می‌دهد این دانه‌ها تقریبا ۶۵ میلیون سال قدیمی‌تر از کهن‌ترین ثبت تاییدشده پیشین از کهربا در کربونیفر پسین هستند و حدود ۱۵۰ میلیون سال پیش از آن پدید آمده‌اند که نخستین دایناسورها روی زمین راه بروند.

این کشف از نظر اندازه کوچک است، اما از نظر پیامدهای علمی بسیار بزرگ. پژوهشگران از ۱۰ کیلوگرم زغال‌سنگ، ۲۴۱ ذره شبیه رزین بازیابی کردند. اندازه این قطعات از ۰.۱ تا ۱.۵ میلی‌متر متغیر بود. بیشتر آن‌ها با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شدند، تا زمانی که زیر نور فرابنفش بررسی شدند و در برابر زمینه تیره، درخشش فلورسنت نشان دادند.

رگه زغال‌سنگی که کهربا از آن بازیابی شد.

گروه پژوهشی چگونه ثابت کرد این دانه‌ها کهربای واقعی‌اند

هیجان اولیه خیلی زود جای خود را به تردید علمی دقیق داد. چیهانگ لو، نویسنده اصلی پژوهش از آکادمی علوم چین، یادآوری کرد که شناسایی کهربا با چنین قدمتی اتفاقی فوق‌العاده خواهد بود. بنابراین، گروه پژوهشی تا زمانی که آزمایش‌های آزمایشگاهی ماهیت نمونه‌ها را تایید کند، این بقایا را ماده آلی «شبیه رزین» در نظر گرفت.

• میکروسکوپ نوری، بافت‌ها و ویژگی‌های فیزیکی شاخص را آشکار کرد.
• طیف‌سنجی فروسرخ، پیوندهای شیمیایی سازگار با ترکیبات ترپنوئیدی را شناسایی کرد که برای رزین‌های شبیه مخروطیان معمول است.
• طیف‌سنجی جرمی و تحلیل‌های ژئوشیمی آلی، تاریخچه بلوغی سازگار با رزین گیاهی فسیل‌شده را تایید کردند.

تنها پس از گردآوری چندین خط مستقل از شواهد بود که نویسندگان نتیجه گرفتند این ذرات، کهربای واقعی هستند که از رزین گیاهی شکل گرفته‌اند. ترکیب شیمیایی آن‌ها با چیزی که دانشمندان از رزین‌های نوع مخروطیان انتظار دارند بسیار نزدیک بود، با وجود آنکه مخروطیان واقعی هنوز در دوره دونین تکامل نیافته بودند.

برخی از قطعات کهربا. بزرگ‌ترین نمونه تنها ۱.۵ میلی‌متر، برابر با ۰.۰۵۹ اینچ، قطر داشت. 

این کشف درباره زیست‌بوم‌های اولیه خشکی چه می‌گوید

ما معمولا رزین را به عنوان پاسخی تکاملی به حشرات گیاه‌خوار تصور می‌کنیم. اما ۳۸۵ میلیون سال پیش، حشرات هنوز به چرندگان غالب گیاهان تبدیل نشده بودند، جایگاهی که بعدها به دست آوردند. پس اصلا چرا گیاهان باید رزین تولید می‌کردند؟ این مطالعه نشان می‌دهد فشارهای انتخابی دیگری ممکن است محرک این نوآوری بوده باشند.

آتش‌سوزی‌ها و قارچ‌های بیماری‌زا روی خشکی حضور داشتند. بندپایان اولیه خشکی‌زی و مهاجمان میکروبی نیز وجود داشتند. پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که رزین، سرشار از ترپنوئیدها و مولکول‌های پیچیده دیگر، می‌توانسته به عنوان یک دفاع چندمنظوره عمل کند: بستن زخم‌ها، دور کردن انگل‌ها و محدود کردن پوسیدگی پس از آسیب.

لو به ساینس‌الرت گفت: "اهمیت موضوع فقط این نیست که این رکورد قدیمی‌تر است. رکورد تاییدشده پیشین کهربا از کربونیفر پسین به دست آمده بود و احتمالا با گیاهان دانه‌دار ارتباط داشت. کهربای ما از دونین میانی می‌آید، پیش از آنکه گیاهان دانه‌دار پدیدار و متنوع شوند. این یعنی یک گیاه آوندی بدون دانه از قبل توانایی تولید رزین ترپنوئیدی پیچیده از نظر شیمیایی را داشته است."

محیط هوجیرسیت مرطوب و سرشار از مواد آلی بود، شرایطی مناسب برای تشکیل زغال‌سنگ، و پوشش‌هایی پراکنده از گیاهان آوندی اولیه در آن رشد می‌کردند. گرچه شبکه‌های غذایی خشکی ساده‌تر از جنگل‌های دوره‌های بعدی بودند، اما دونین همچنان زمانی مهم در مهندسی زیست‌بوم‌ها به شمار می‌رفت: گیاهان بلندتر می‌شدند، بافت‌های چوبی را توسعه می‌دادند و سامانه‌های ریشه‌ای عمیق‌تری ایجاد می‌کردند که چشم‌اندازهای زمین را دگرگون ساخت.

همان قطعه کهربا که در تصویر بالا دیده می‌شود، زیر نور فرابنفش فلورسنت شده است. 

پیامدها برای تکامل شیمی گیاهان

زیست‌ساخت رزین به مسیرهای متابولیکی وابسته است که ترپن‌ها را تولید می‌کنند، خانواده‌ای بسیار متنوع از مولکول‌ها از نظر شیمیایی. پژوهش‌های ساعت مولکولی اشاره کرده بودند که ژن‌های تولید ترپن زودتر از دونین میانی وجود داشته‌اند، اما شواهد فسیلی فیزیکی در این زمینه در دسترس نبود. این دانه‌ها همان معیار فسیلی مورد نیاز را فراهم می‌کنند.

این موضوع اهمیت زیادی دارد، زیرا متابولیت‌های ثانویه مانند ترپن‌ها صرفا کنجکاوی‌های شیمیایی نیستند. آن‌ها تعاملات بوم‌شناختی را شکل می‌دهند: رابطه گیاه و عامل بیماری‌زا را میانجی‌گری می‌کنند، تغذیه‌کنندگان را بازمی‌دارند و بر نرخ‌های تجزیه اثر می‌گذارند. اگر گیاهان آوندی بدون دانه از همان زمان چنین ترکیباتی می‌ساختند، پس دفاع شیمیایی گیاهان به هموار شدن مسیر استعمار و تسلط گیاهان بر زیستگاه‌های خشکی کمک کرده است.

چه تعداد کهربای باستانی از نگاه ما پنهان مانده است؟

احتمال واقعی وجود دارد که این کشف یگانه نباشد. کهربای اولیه احتمالا میکروسکوپی، محلی و به‌آسانی قابل اشتباه با مواد آلی دیگر در زغال‌سنگ و رسوبات ریزدانه بوده است. ثبت دیرینه‌شناسی به سمت فسیل‌های بزرگ‌تر و آشکارتر سوگیری دارد. دانه‌های کوچک‌تر ممکن است نادیده گرفته شوند، مگر آنکه پژوهشگران با روش‌های درست، آگاهانه به جست‌وجوی آن‌ها بپردازند.

لو و همکارانش نوشتند: "کهربای اولیه احتمالا میکروسکوپی، بسیار موضعی و به‌آسانی قابل اشتباه با مواد آلی دیگر بوده است، موضوعی که شاید توضیح دهد چرا تاکنون نادیده گرفته شده است." آن‌ها پیشنهاد می‌کنند زغال‌سنگ‌های غنی از ماده آلی مربوط به دونین آغازین، شیل‌های زغال‌دار و رسوبات ظریف‌لایه‌ای که کوتیکول‌های گیاهی را حفظ کرده‌اند و دگرسانی حرارتی نسبتا اندکی را تجربه کرده‌اند، غربالگری شوند. ترکیب غربالگری فرابنفش، استخراج میکروسکوپی دقیق، طیف‌سنجی فروسرخ و تحلیل ژئوشیمی آلی می‌تواند رکوردهایی حتی قدیمی‌تر را آشکار کند.

برخی از گیاهان فسیل‌شده که پیش‌تر در سازند هوجیرسیت پیدا شده بودند. 

دیدگاه کارشناس

دکتر النا مارکز، دیرینه‌گیاه‌شناس دانشگاه کمبریج که در این پژوهش مشارکت نداشت، این کشف را نمونه‌ای چشمگیر دانست از اینکه چگونه فسیل‌های بسیار کوچک می‌توانند روایت‌های بزرگ را تغییر دهند. او گفت: "ما معمولا به دنبال فسیل‌های باشکوه می‌گردیم، مانند تنه‌های کامل یا بسترهای برگ مشهور، و ریزفسیل‌هایی را از دست می‌دهیم که داستان‌های مولکولی را در خود نگه داشته‌اند. این دانه‌ها نشان می‌دهند که نوآوری شیمیایی می‌تواند پیش از تکامل ساختاری در مقیاس بزرگ در گیاهان رخ دهد. این موضوع شیوه مدل‌سازی ما از زیست‌بوم‌های اولیه خشکی و هم‌تکاملی گیاه و حشره را تغییر می‌دهد."

نتیجه‌گیری

کهربای میکروسکوپی سازند هوجیرسیت فصل تازه‌ای به داستان حیات روی خشکی می‌افزاید. این کشف نشان می‌دهد دفاع‌های شیمیایی پیچیده پیش از گیاهان دانه‌دار و بسیار پیش از دایناسورها وجود داشته‌اند. یافته جدید دامنه جست‌وجو برای رزین‌های باستانی را گسترده‌تر می‌کند و ما را به بازنگری در این پرسش دعوت می‌کند که ویژگی‌های شیمیایی چگونه بر خیزش زیست‌بوم‌های خشکی اثر گذاشتند. این دانه‌ها هرچند بسیار کوچک‌اند، پیام بزرگی دارند: نوآوری تکاملی اغلب در کوچک‌ترین ردپاها پنهان است.