中国科学院古生物与油气地层应用重点实验室特别研究助理李丹丹在乌达煤田（黄宇 摄）

初见“植物庞贝城”

飞往乌海市的航班上，透过窗外一片云海，我才对这座城市有了些许了解。它位于内蒙古和宁夏的交界处，周围是辽阔的戈壁和沙漠，景色寂寥而单调。乌海是典型的资源枯竭型城市，它的名字本身便带有某种象征——“乌金之海”，寓意“黑色的海洋”，指的正是那无尽的煤矿资源。这片土地因煤而生、因煤而兴。煤炭的形成，源自曾经茂密的植物群落，被泥沙掩埋、沉积、炭化。直至今日，这些煤田不仅是现代社会能源的宝库，也见证了亿万年前那片绿色世界的存在。

乌达煤田便是这段历史的见证者。古生物学家的研究发现，煤田中有一层约0.65米厚的火山碎屑岩，守护着3亿年前的一片古老森林。当时，乌达处于赤道附近，温暖湿润的气候促成了茂密的热带雨林。然而，突然而至的火山活动，将这片雨林瞬间掩埋，完美封存了这些植物。树干上的纹理、叶片的形状、藤蔓的痕迹……这些植物的形态清晰可见，仿佛庞贝古城一样，时间在那一刻戛然而止。因此，这片化石层被称为“植物庞贝城”，并在今年9月被列入世界地质遗产地名录。

前往乌达煤田的路上，车窗外一片黄沙，稀疏的耐旱植物低低地生长。尽管当天难得下了场雨，煤田上空依旧灰蒙蒙的。站在矿区，放眼望去，黑色的煤炭覆盖了整个视野，没有一丝绿色的生机。机械轰鸣，矿车一辆接着一辆，与几亿年前热带雨林的景象形成鲜明对比。那时的乌达，树木葱郁，藤蔓交织，生机勃勃。而现在，这片土地变得荒凉，煤矿和机械主宰了这里的景象。站在这里，我不禁产生一种强烈的时空错位感。

周卫明是中国科学院南京地质古生物研究所（简称“南古所”）的副研究员，他记得自己刚跟着导师王军读研时，曾问过他一个问题：“人是从猿猴演化来的，鸟是从恐龙来的，动物的进化路径比较清楚，那植物呢？这些不同的门类，比如苏铁、银杏、松柏、被子植物，它们之间是怎么演化的？到底是谁从谁那里演化而来？”

南古所所长、研究员王军是“植物庞贝城”的发现者，他当时也无法给出明确的答案。这个问题太复杂了，哪怕是到今天，植物的演化路径，科学家也说不出个清楚的答案。有人猜测，种子植物可能源自某个原始类群。但究竟是哪个类群进化成什么样的植物，过程中丢失的环节太多，故事断断续续的，拼不全整。

“植物庞贝城”的发现，给破解这些谜题带来了希望。在古植物学研究里，最难的就是找到完整的化石。通常，发现的只是零散的叶片、果实，或者一段破碎的茎干，无法重现全貌。要让植物变成化石，它必须迅速被掩埋，隔绝了空气。比如，一片叶子掉进水里，被泥沙掩埋，可能保存下来，最终形成化石。但很多时候，植物是被风吹散、雨水冲走，经过漫长的漂流，到了很远的地方才被埋藏。它们早已破碎，结构也难以辨认，原本生长在哪里，谁也不知道。

但乌达的植物化石不同。它们几乎是原地被火山灰瞬间掩埋的。断裂的树桩，倒下的树干，散落的叶片，它们没有被打乱，彼此相隔不远，保持着最初的空间关系。火山灰的细腻，也最大限度地保留了植物的精细结构。所以，乌达的化石不仅保存得完整，还呈现出同一时间点的森林景象，仿佛一幅凝固的远古画卷。这些化石为科学家提供了重要线索，帮助他们拼凑起缺失的环节，揭开植物演化史上的许多谜题。

最近，“植物庞贝城”被列入了世界地质遗产地名录，当地政府将其中一个煤矿的化石剖面保护了起来。我们站在陡峭的煤矿壁前，只见两层黑色煤层之间，有一道灰色的凝灰岩带，大约有60厘米宽。李丹丹从2016年开始就跟着王军来这里工作，现在是中国科学院古生物与油气地层应用重点实验室的特别研究助理。她拿起小锤子，熟练地在灰色带上敲打，很快她就找到了一处黑色的长方形痕迹。

“这是一段植物茎干。”她说。我凑近看了看，瞪大了眼睛，却怎么也看不出这和旁边染上煤矿颜色的石头有什么不同。李丹丹似乎看出了我的疑惑，笑了笑，说：“煤会染手，但化石不会。”我伸手摸了摸，手指果然干净。那道黑色的痕迹与周围灰色岩石的边界分明。李丹丹继续敲打，露出了更多的部分。“这其实是一根倒下的茎干形成的化石。”

尽管野外工作艰苦，李丹丹却特别喜欢。对她来说，野外敲化石就像开盲盒，“虽然大概知道这里的植物是什么样的，但每次敲开，都有一些新的惊喜”。随着她的锤子不断敲击，我们发现了更多化石——两指宽的球果，纹理细腻的蕨类叶片，还有一段直立的树干。那一刻，我仿佛透过这些残存的痕迹，看见了几亿年前这片土地上的繁茂景象。

在乌达煤田发现的一种植物化石被命名为“海旺涅梅茨羊齿”（见图中央）（黄宇 摄）

追寻瓢叶目之谜

说到直立的树干，它是确认“植物庞贝城”原地埋藏的关键线索。1997年，29岁的王军在李星学院士的指导下，开始在南京地质古生物研究所做博士后研究。一天，所里的研究员吴秀元送给他一块小小的瓢叶目植物化石标本，像鹌鹑蛋那么大。这种植物早在1821年被捷克人发现，因叶子像水瓢而得名。它们曾在石炭到二叠纪间广泛分布，是华夏植物群的特色和代表类群之一。可随着二叠纪末的大灭绝，这些植物悄然消失。

“我们一直搞不懂这类神秘植物的真面目，只知道它是植物，外形了解得差不多了，内里的结构却一无所知，也没法归入现有的植物学系统。”王军深知，如果能揭开瓢叶目植物在生命树中的位置，必定是一项能载入教科书的重要贡献。

这块小化石，直径不到2厘米，却令人惊讶地保存了内部结构。正是这个线索，王军开始了多年的研究，接连发表了4篇有关的SCI论文。尽管如此，那个谜一样的瓢叶目植物的“位置问题”，依旧没有解开。由于当时技术条件的限制，实验只能用刀片一点点地切开化石，磨成薄片，通过显微镜观察。每切一刀，标本就损失大半，想要揭示的内部结构，始终没能完全弄清楚。

王军决定回到最初的采集地点，看看能否找到保存得更好、尺寸更大的标本。吴秀元已是85岁高龄，他记得这块标本是在上世纪80年代从贺兰山脉附近采集的。于是，王军在吴秀元的陪同下，和他的导师李星学一同出发，从宁夏一路考察，最终来到乌达煤田。这里的化石层异常漂亮，但他在一个多月的考察中，虽然找到了各种各样的植物化石，却始终没能找到心中最想要的那一块。

实际上，早在上世纪40年代，乌达煤田就吸引了不少古生物学家的目光，一代又一代的学者常常来这里采集化石标本。然而，根据当时的调查资料，大多数人都认为，这些化石是湖泊沉积的产物。也就是说，原本生长在湖边的树木，枝叶落下后被水流带入湖中，最终沉积在湖底，得以保存。因此，大家普遍认为这些化石代表的是湖边的植被群落。

然而，2003年，王军和团队开始怀疑这种传统看法。那年，他和美国宾夕法尼亚大学的赫尔曼·佩弗科恩（Hermann W. Pfefferkorn）教授一起，再次前往乌达，计划寻找更多的瓢叶目植物化石。尽管他们没有找到目标化石，却意外地发现了一个不寻常的现象——在这层化石层里，竟然保存着一棵直立的树干。

这个发现让他们大吃一惊，因为一般来说，植物的树干化石在水流的作用下，往往都是“躺”着的。经过反复勘查，他们惊讶地发现，这些树干并不是孤立的，而是非常密集地“站”在那儿，每隔三五米，就有一棵高大的植物。这到底意味着什么呢？

那一刻，两位科学家的心里突然闪过一个念头：或许，这里藏着一片原地埋藏的化石森林。他们开始重新审视之前的想法，并渐渐得出了一个新结论：这些化石不是一些漂浮的枝叶，而是一个远古森林的遗迹。一场突如其来的天灾，压垮了这些植物，然后它们被埋在地下，封存起来，最终形成了这一层化石。

王军开始采集岩样，做薄片分析。结果一出来，大家的猜测得到了证实：这些岩石并非之前文献里提到的湖相黏土岩，而是火山凝灰岩。这意味着，化石并非由湖泊水流沉积形成，而是在某种特殊情况下，火山灰将它们封存了起来。更有趣的是，透过切片和透射光的观察，他们发现火山碎屑颗粒的棱角依然锋利，没有经过水流冲刷。这一细节，彻底推翻了之前的湖相沉积说。王军他们终于揭开了这片被火山灰封存的“植物庞贝城”的面纱。

很快，乌达就吸引了世界各地研究者的目光，美国、捷克等地的学者都急着赶来，想在这片土地上破解生命演化的谜团。王军清楚记得，2005年有一次，他和一群来自捷克的国际合作伙伴们在乌达野外考察时，大家围坐一圈，每个人手里都紧紧攥着一块化石，脸上满是喜悦。大家都感慨，自己这一辈子见过的最美丽的化石，全都在乌达。

2012年，王军将10年的研究成果整理出来，发表在《美国科学院院报》上，同时把这片化石产区正式命名为“植物庞贝城”，引发了国际地质界的关注。

有趣的是，“植物庞贝城”发现了大量的瓢叶目化石。经过多年研究，王军和团队终于在2021年解开了瓢叶目植物的分类谜题。研究显示，瓢叶目植物的果与叶是同源的，它们具有孢子植物的繁殖方式，但茎干的发育特征与松柏类的木材相似。最终，瓢叶目被确认为前裸子植物，解决了它们在生命演化树上的归属问题。

这些植物的灭绝与二叠纪末期地球气候变化密切相关。尽管瓢叶目未能适应温室气候的变化，但它们并非没有努力过。“它们从孢子植物向种子植物演化，努力适应干旱气候。种子植物比孢子植物对水的依赖更小，能在恶劣环境下进入休眠，待条件改善后复苏。如果瓢叶目植物成功转变为种子植物，它们或许就能在二叠纪末的大灭绝中幸存下来。”王军指出，“它们的演化过程，恰恰是生命与环境之间适应关系的见证与产物。”

“植物庞贝城”的许多化石标本分类后暂存于乌海市人民公园的库房内（黄宇 摄）

被“凝固”的热带雨林

王军的目标，不只是揭开一棵树的面纱，而是解开整片森林的秘密。这片35平方公里的煤矿遗址，为他提供了一个独特的机会：不仅能还原植物的种类，还能重构那个时代的生态群落。但最难的，还是对这些古植物的整体重建。

过去，由于标本的保存局限，许多复原工作只能停留在概念阶段，虽然能大致呈现，却总与实际差得远。幸运的是，这场自然灾难式的瞬间掩埋，几乎完好无损地保存了植物的细节。古植物学250年的发展中，能遇到这种机会的少之又少。全球有成千上万的化石产地，但能做到精确复原的古植物，全球范围内也不过15种，而“植物庞贝城”已成功复原八九种。

如今，他们复原了上万平方米的远古森林遗址，积累了大量的化石数据，站在了世界的前沿。从这些化石中，仿佛可以看见远古森林的全貌：七大植物类群交织其中，石松类、有节类、瓢叶类、蕨类、种子蕨类、原始松柏类和苏铁类，有的高耸入云，有的低伏地面，枝叶交错，形态各异。

南北两片森林截然不同。南边的森林，科达直插云霄。这是一种已经灭绝的树状植物，是今天松柏的祖先。它在森林中最为显眼，能够长到30多米，仿佛这片天地的守护者。北边的森林，则由封印木占据最高点。封印木是一种高大的石松植物，能达到20～30米高，曾在石炭纪广泛分布。乌达的封印木不分支，只在顶部保存有叶片，叶子大约1厘米宽，却超过1米长，形如长剑，因此远远望去，显得有些秃秃的。更有趣的是，在南北森林的交界处，有一个神秘的过渡地带——中盘区。这里没有明确的界线，南北植物悄然交织，科达与封印木在这里并存，形成了一种自然的过渡。

乌海市正在筹建一个与“植物庞贝城”相关的博物馆。为了展示，72平方米的化石标本被平移到了人民公园。李丹丹带我去看，灰暗的光线下，化石层表面凹凸不平，仿佛时间在这里凝固。她告诉我，这就是当时植物的自然分布：南边最高的是科达，北边是封印木，接着是10～15米高的乔木，然后是树蕨、前裸子植物、苏铁类植物，还有少量有节植物。最底层是林下的草本植物，如种子蕨和小型有节植物。“草本和藤本植物少见，因为它们个体小，不易保存。并且树蕨类植物在那个时期是森林的优势物种，正值演化巅峰。可是，随着时代变迁，它们逐渐退化，大多在二叠纪的大灭绝中消失，变成了今天的草。”

在人民公园的库房里，还有更多散落的化石。它们在阴雨天的光线下显得格外安静。我站在一块两巴掌大的化石前，注意到上面有一根黑色的植物茎干，两边散落着几道模糊的蕨类痕迹。李丹丹告诉我，这是一种攀援性蕨类，原本紧紧缠绕在树干上。灾难来临时，树木倒下的瞬间，蕨类被甩了出去，最终定格成了这幅画面。

周卫明对那些古老的攀援性蕨类植物特别感兴趣。2017年，他曾在乌达带回一批标本，其中有两块小化石，上面布满了钩状倒刺，能够牢牢附着在树木上，缠绕生长。这些化石距今已有3亿年，是目前已知最古老的攀援性植物。更有趣的是，这些古老蕨类植物以一种特别的方式生长——它们是左旋的。今天，地球上大多数攀援植物，如牵牛花，都呈现右旋生长，少数植物既能左旋也能右旋，如何首乌。但这些古老植物却固定地以左旋生长，这引发了周卫明的思考，但因为样本太少，还没有得出什么结论。

尽管如此，每次发现这样不寻常的物种，周卫明都感到无比兴奋。他觉得，这就像是打开了一扇窗，窗外是未知的世界。“这些植物不仅见证了植物演化的历程，也帮助我们更好地理解生态系统的复杂性。”他说，“通过这些化石，我们把植物攀援习性的确切证据从1600万年前推到3亿年前，这也揭示了物种间频繁的趋同演化——在远古时代，真蕨和被子植物就已经学会如何通过缠绕生长来适应环境。”更令人振奋的是，这些攀援植物和宿主植物或许在同一棵树上共生，形成了特殊的生态互动。“这反映了晚古生代生态系统中的空间竞争与植物间的共生关系，进一步揭示了自然界的复杂性。”

然而，研究不止于此。在未来，除了继续描述这些植物外，他们还需要探讨植物与植物之间、个体与环境之间的复杂互动。例如，每个植物究竟属于哪种生态型？它是树还是草，还是攀援植物？它们的生理机制如何与生态环境相适应？而在群落中，它们又是如何根据垂直结构、横向结构、物种组成等因素进行配置的？

2015年，王军和他的团队正在清理直立茎干的化石遗迹（南古所 供图）

为什么动物化石那么少？

要研究整个原始森林，王军和他的团队并没有现成的参考方案。如今，世界上类似“植物庞贝城”的火山灰保存的植物群落只有五个，而由于土地私有制的限制，许多遗址无法进行充分研究。捷克在这方面做了不少工作，但20年来，揭示的化石信息也仅有100多平方米，这些化石层大约晚于植物庞贝城50个百万年，所揭示的群落生态信息非常有限。

要想分析更大范围的群落生态，困难重重。王军和他的团队只能细致地挖掘每一个物种，尽力将它们的形态描述到极致。通过对这些化石的观察和三维复原，他们不仅绘制出了世界上第一幅远古森林的实际尺寸复原图，而且精度令人惊叹：这幅图还原了1100多平方米的森林景象，精确到每一棵树的间隔，丝毫不差。

尽管研究已经进行了20多年，但面对如此庞大的“植物庞贝城”，仍然有许多未解之谜。例如，最让人困惑的一点，是在这样一片繁茂的热带雨林中，为什么动物化石的数量和种类竟然如此稀少？

周卫明提出了一种可能的解释：“动物的感知能力非常敏锐，也许是因为动物早早察觉到了灾难的临近，纷纷逃离了。我们在地质历史上称火山灾难为‘瞬间’，但那瞬间可能持续了几天，甚至几个月，尤其是这层化石的沉积如此厚重。还有可能，一些软体动物在灾难的初期就被火山灰烫没了。”

对周卫明来说，最让他兴奋的发现发生在2015年。当时，他正在做博士论文的研究，敲开一块化石时，他感觉它有些不对劲。它不像是叶子，倒更像是别的东西。他急忙去找同行确认，大家凑在一起仔细研究。最终，一位捷克学者给出了答案：“这是蟑螂的翅膀。”然而，遗憾的是，这块化石只剩下翅膀，没有完整的身体。周卫明回忆说：“早在2011年，我就听说过学者在野外发现蝎子的化石，当时我和团队开始特别留意是否能找到更多动物的化石。”起初，他以为这里根本不会有动物的踪迹，没想到那次竟然发现了这块标本，心中充满了成就感。

近年来，他们也开始有意识地在“植物庞贝城”收集动物化石标本，最多的还是蛛形纲化石。尽管它们与今天的蜘蛛有所不同，但从分类上看，它们仍可以算作蜘蛛的祖先。不过，周卫明也坦言，由于他们并不专门研究动物化石，要真正了解这些化石的背景，依然存在一些困难。

尽管如此，周卫明与另一位研究者还是完成了一篇关于蝎子的研究。蝎子，像许多生物一样，随着陆地的扩展，逐渐走上了陆地。过去的研究认为蝎子是树栖的，也有说法认为它们只能生活在地面上。然而，在乌达，他们发现的蝎子化石竟然是在凝灰岩层中，而不是土壤底层，像是从树上掉下来的一样。这一发现给他们的研究带来了突破，也证明了蝎子确实是树栖的。更重要的是，蝎子是肉食性动物，既然它们吃肉，那就意味着它们栖息的森林里，肯定有其他植食动物成了它们的食物。这一发现揭示了早期森林的生态结构，初级消费者肯定是存在的，为研究古生态提供了宝贵的线索。

“植物庞贝城”不仅是对遥远过去的追溯，它还向我们传递了某些现实意义的启示。如今，地球正经历着从冰室气候到温室气候的转变。3亿年前的石炭-二叠纪之交，南北极也曾拥有冰盖，气候正经历着类似的变化。那时，气温逐渐升高，生态环境发生了巨大的变动，而“植物庞贝城”正好处于这一过渡期。这些保存下来的古植物，成了我们理解现代气候变化对地球生态影响的宝贵参考。

这也为“植物庞贝城”带来了更多谜团。比如，为什么欧美地区在早二叠世的气候已经变得干旱，但乌达这样的地区，成煤的环境却依然存在，几乎没有受到干旱气候的影响。有人推测，或许是晚古生代的华力西造山运动，形成了山脉，挡住了风沙。于是，乌达这片土地保持了相对湿润的环境，成为晚石炭时期植物的避风港。它们在那里生长、繁衍，直到有一天，灾难来临，突然被埋藏在灰烬中，带着过去许多的秘密，静静地等待着被我们重新发现。