数亿年前，在地球拥有一个名为盘古大陆的单一超大陆时期，古代植物经历了一场严酷的冰河时期。
一项基于化石植物和气候模型的最新分析表明，这些寒冷的气候条件限制了盘古大陆的树木覆盖范围。这反过来又会对气候和植物进化进程产生深远影响，正如 10 月 11 日在《美国国家科学院院刊》杂志上 报道 的那样。贝勒大学生物学家、该研究的合著者 William J. Matthaeus 表示，了解植被在这种严酷的环境中如何生存，也有助于我们为未来做好准备。
“关于灭绝植物，有大量信息可以用于量化推断地球在自然历史中的演变方式，”他说。“如果我们希望了解我们气候在未来将如何变化，我们确实需要这样做。”
在冰河时期，冰川在一系列冰期和相对温暖的间冰期之间进退。我们目前也处于冰河时期，生活在约 11,000 年前开始的一个间冰期。之前的冰河时期，被称为晚古生代冰河时期，大约持续了 3.4 亿至 2.85 亿年前。其特征是冰川覆盖大片陆地和海洋退缩的时期，以及大气二氧化碳和氧气水平的剧烈波动。
Matthaeus 表示，这个冰河时期的植物群落与今天大不相同。被称为石松类的一个群体，如今包括苔藓等微小的湿地植物，但当时通常生长到几十米高。其他如蕨类植物，以其类似蕨类的叶子而闻名，已经没有现存的近亲。还有一些是针叶树等更熟悉的树木的祖先或早期亲戚。
Matthaeus 解释说，这些植物会以多种方式影响周围的气候。植物——尤其是树木——会产生氧气并固定大量的碳。它们的根系会分解岩石，岩石随后溶解得更快，并改变淡水径流和海洋表面的化学成分，从而改变海洋储存碳的能力。植物还会吸收、储存水分并将其释放回大气中。“它们在某种程度上缓冲了水循环，”Matthaeus 说。“进入大气中的[雨水]量，而不是成为径流或地下水，很大程度上受到植物的影响。”
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他和他的同事想知道在晚古生代冰河时期森林的分布范围有多广。他们首先使用化石测量来确定与古代植物如何利用水和碳相关的几项特征。他们查看的一个特征是气孔，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。
“这在植物功能方面是一个非常重要的结构，因为它们不希望损失比必需更多的水分，但它们希望获得所有它们能获得到的二氧化碳，”Matthaeus 说。这类信息帮助研究人员了解植物的功能，以及这可能如何影响森林覆盖。
研究人员还使用计算机模型来模拟植物在冰期和间冰期循环中所面临的气候条件。根据他们确定的环境和解剖学限制，该团队发现植物可能在盘古大陆的许多地方生长。Matthaeus 表示，这些估计结果与已发现化石植物的地点基本一致。
然而，这些重建并未考虑到冰冻温度对植物造成的巨大压力；一些物种在暴露不到一天后就会死亡。研究人员估计，即使在许多无冰川的地区，危险的寒冷条件也会影响到植物。
“这是一个冰河时期，所以在一年中的不同时间，地球表面的大部分地区在冰期和间冰期都很寒冷，”Matthaeus 说。他说，这很可能限制了森林的分布，超出了他们考虑的其他变量，如光照水平、平均温度和水分供应。“如果我们关于冰冻的推测是正确的，那么森林覆盖范围可能比人们过去认为的要受到很大限制。”
研究人员得出结论，冰冻和解冻温度的循环，在此期间植物被杀死然后开始重新生长，会对径流、侵蚀和二氧化碳水平产生复杂的影响。下一步，Matthaeus 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。他还补充说，还需要对盘古大陆未被充分理解的地形进行更多研究，这也是影响冰河时期森林覆盖和气候的另一个重要变量。
这些冰冻也可能帮助了特别坚韧的植物，包括构成今天泰加林和北方森林的树木的祖先，主导了植物群落，而许多其他树木则灭绝了。“季节性干旱和冰冻的结合确实让那些能够在这两种条件下生存下来的植物获得了巨大的进化优势，”Matthaeus 说，“而针叶树无疑是其中一个候选者。”
