基于傅里叶变换红外光谱解析宾夕法尼亚纪加拿大Odontopteris cantabrica和Odontopteris schlotheimii的生物力学与生理特性及其演化意义

推荐 为探究宾夕法尼亚纪Odontopteris cantabrica和Odontopteris schlotheimii的生物力学与生理特性，研究人员采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析其羽片密度（δ）、抗拉强度（TS）、弹性模量（TME）及单位面积叶质量（LMA）。结果表明，两种植物的δ、TS、TME和LMA低于Alethopteris ambigua和Neuropteris ovata var. simonii，可能具有半自支撑至自支撑的生长形态，为理解古生代植物适应机制提供新视角。

　　

论文解读
宾夕法尼亚纪是植物演化的重要时期，种子蕨类植物（Pteridosperms）如Odontopteris属在陆地生态系统中占据关键地位。然而，关于其生物力学与生理特性的研究长期匮乏，尤其是如何通过结构优化平衡机械支撑与资源分配仍存争议。本研究以加拿大新斯科舍省悉尼煤田的Odontopteris cantabrica和Odontopteris schlotheimii化石为对象，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术，结合化学成分分析与力学参数计算，揭示了这两种植物的适应性特征。研究成果发表于《International Journal of Coal Geology》，为重建古生代植物生态功能提供了新证据。

研究团队来自国际联合项目“宾夕法尼亚纪植物化学、生物力学与生理学研究”，重点关注悉尼煤田顶板页岩中保存的化石叶片。通过对比两种Odontopteris物种的羽片密度（δ）、抗拉强度（TS）、弹性模量（TME）及单位面积叶质量（LMA），发现其力学性能显著低于Alethopteris ambigua和Neuropteris ovata var. simonii，但内部呈现从近端到远端的连续变化规律。例如，近端羽片的δ值较远端高23%，TS和TME分别高出18%和15%，表明资源分配优先保障主体结构的稳定性。此外，LMA的差异暗示两种物种在光合作用效率与生长成本间的权衡策略不同。

研究采用FTIR光谱技术对压缩保存的羽片进行无损分析，结合化学计量学方法解析纤维素、木质素等生物大分子的分布特征。结果表明，Odontopteris属植物的组织结构更倾向于柔韧性而非刚性，可能通过降低自重风险实现半自支撑生长形态。这一发现与现生植物如Robinia pseudoacacia的机械适应机制相呼应，即通过弹性变形分散外力以减少断裂概率。

在结论部分，作者提出Odontopteris cantabrica和Odontopteris schlotheimii可能具有树状生长习性，其较低的δ、TS、TME和LMA值反映了对资源高效利用的适应策略。研究不仅填补了种子蕨类植物生物力学研究的空白，还为重建古环境压力下的植物演化模式提供了量化依据。例如，通过对比不同物种的力学参数，可推测悉尼煤田在晚宾夕法尼亚世的气候波动可能驱动了植物结构的适应性分化。此外，FTIR技术在化石化学分析中的成功应用，为其他压缩化石的功能形态学研究开辟了新路径。

本研究的重要意义在于多维度解析了古植物结构-功能关系。首先，羽片密度的空间异质性揭示了植物在资源分配上的优化策略，近端的高密度区域能够增强机械支撑，而远端的低密度则减少生长能耗。其次，TS和TME的差异表明两种Odontopteris物种在应对风载和自重时的力学响应不同，可能与其生态位分化相关。最后，LMA的量化数据为重建古大气CO₂浓度提供了间接证据，因叶片质量与光合效率密切相关。这些发现共同支持了种子蕨类植物在晚古生代陆地生态系统中的重要地位，并为现代植物力学研究提供了演化生物学视角。