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活植物身上的进化足迹

史军 王晖 李楠  发表于 2019年04月02日

绿色生命第一步——单细胞光合生物

直接利用太阳光,为生长繁殖提供动力,大概是植物进化迈出的最坚实的一步。在大约距今35亿年前的时候,最初的光合生命——光合细菌登上了进化的舞台,它们可以利用自身合成的菌绿素来完成对太阳能的吸收和转化。

今天,从单细胞的蓝藻身上,我们还可以看到那些在进化上刚刚同动物分道扬镳的植物祖先的影子。这些家伙体内还没有叶绿体,由色素和藻胆蛋白质组成的光合反应器——类囊体都分散在细胞质中。虽然,这类光合作用反应器的效能还是不尽如人意,但是它们最早把水引入光合作用,通过光合作用释放出氧气,使整个生物界朝着能量利用效率更高的好氧生物的方向发展。

在完成初步的工作之后,大自然开始着手设计效能更高的发动机。首先,用“价格低廉”且工作效率较高的叶绿素c代替了合成“费用”高昂的藻胆蛋白。由于叶绿素a和叶绿素c组成的光合作用系统更适应于海洋中的光照条件,因此使用这种发动机的植物(如硅藻、海带等)虽然占领了海洋,却只能生活在水环境中。

经过改进,用叶绿素b替代了叶绿素c,最终设计出“原绿藻”型发动机——叶绿体,它们成为细胞中专门进行光合作用的场所。这样一来,大大降低了能量传递的损耗,提高了光合作用的效率。经过磨合之后,这样的发动机终于具备了在水陆两栖条件下使用的功能,原绿藻也就成为现今所有陆生绿色高等植物的祖先。

在有了强大的动力装置之后,绿色植物可以把更多的精力投入到繁殖中去。在大量的细胞结合成了一个整体后,其中有些细胞开始专门产生生殖细胞,进行有性生殖活动。这些生殖细胞结合之后形成新的植物体,这比蓝藻简单的分生生殖进了一大步。

无性生殖的结果是子孙后代的遗传信息跟祖先相比几乎没有变化(除了少量的突变)。而有性生殖赋予生物以更大的变化空间,不同个体有了交流遗传信息的机会,它们的后代可能同时具有双亲的优良性状。有意思的是,最初的植物(藻类)双亲是几乎没有性别之分的,它们产生的雌雄生殖细胞形态完全相同,这种生殖方式也被称为“同配”。后来,类似于紫菜和海带等大型藻类发展出大小不同的异形生殖细胞,不过那还不是真正的精子和卵子。

除了雌雄分工不甚细致之外,这些最初的绿色生命在细胞组织上也不是很讲究,它们长得要么像个叶片,要么像枝杈,要么就像个空心球,其分工协调能力也很弱,除了生殖细胞以外的其他细胞都在做相同的事情。好在生活在水环境中,植物体不同部位摄取营养的条件没有什么差别,这些松散的集体倒也能过得去。

由于藻类植物兢兢业业的光合作用,原始大气中的氧气含量越来越高,在高空形成了臭氧层,挡住了大部分紫外线。从海洋中露出的原始大陆成了新的栖身之地。在藻类植物达到繁盛之时,水生的环境变得越来越拥挤,当中的有些种类,绿藻中的轮藻类便开始另觅出路。不过,完全为水生环境“塑造”的藻类植物在陆地上没有办法开疆拓土。那是哪个绿色精灵迈出关键的登陆第一步呢?

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上图展示了原始藻类的形象,这些原始的光合机器中,还没有叶绿体,也没有细胞核。包含光合色素的类囊体膜就均匀地分布在细胞质中。

 

最早登陆的植物——苔藓植物

在苔藓植物的祖先第一次登上陆地时,面对的是一个寸草未生的荒芜世界。陆地虽然有更广阔的发展空间,但阳光更加的强烈,空气中的CO2浓度更高。为了适应这陌生而极具挑战性的环境,它们必须进化出一套藻类植物所不具有的特殊机制。随着假根和多细胞的雌雄生殖器官的形成,加上它们的变水特性(即它们的植物体能快速调整体内的水分含量以适应干旱或潮湿的环境),苔藓植物的先驱(某种类似于带叶苔的苔类),最终在距今约4亿年的时候成功登陆,成为所有陆地植物的祖先。

苔藓植物是植物界的一个大家族,全世界约有2万种。由于缺少维管组织(一套见于蕨类和有花植物体内具支撑和传输营养物质和水分功能的系统),身材一般比大多数的维管植物矮小,通常仅几毫米到几厘米高。除了海洋和温泉外,它们无处不在,但它们更加喜欢较为温暖、湿润、郁闭的生境中。

苔藓植物的生活史具有明显的世代交替现象,并以配子体占优势。它们的孢子体通常寿命很短,必须依附于配子体生存。也就是说,我们通常所看到的植株在结构上等同于桃花花粉粒发育成的雄配子体和包括胚珠在内的雌性配子体。在后来的进化历程中,这种配子体占优势的局面慢慢地被孢子体占主导地位所取代。

 

挺起绿色的枝干

虽然苔藓植物在征服陆地战役中败下阵来,但丝毫没有影响继任者的脚步。带有完整的土壤取水、输水系统的植物很快出现了(当然这里的快只是相对于漫长的地质年代来说,这个过程大约经历了3000万年)。蕨类植物是第一种能够在陆地上广泛分布的植物。之所以能取得成功,它们体内的维管系统功不可没。

在蕨类植物根和茎的皮层中存在首尾相连的细胞(管胞),它们就是负责将水分和矿物质从根运送到叶片,并将光合作用生产出的养分从叶片送到根系的通道。这样专业的运输队伍,使运输效率成倍提高,也使得蕨类植物的个头可以比苔藓植物大得多。不过在蕨类植物中,水分和养料的运输都使用同一条通路,运输效率比较低,后来出现的裸子植物和被子植物对运输系统做了分类改进。

光有运输管道还不够,因为水分不会自己顺着管子从植物的根系爬到距地面几米甚至几十米的叶片上去。人类为了将水送到高处,使用了水泵。而植物的“水泵”又在哪里呢?它们除了叶片再也没有其他的东西了。难道叶片可以为输送水分提供动力吗?不错,这些大大小小的叶片正是一个个小型“水泵”。在日光照射下,叶片中的一部分水分会以水蒸气的形式通过气孔释放出去,蒸腾形成的升力将水分从根部提了上来。

蕨类植物已经有了比较完善的适应陆地生活所需的技能,它们甚至在距今2.7亿至6500万年之间的恐龙时代盛极一时。但是它们仍然有致命的缺陷,那就是依靠水环境繁殖的繁殖方式。蕨类植物的孢子一定要在潮湿的环境下才能萌发形成配子体,在配子体上长着精子器和颈卵器。精子器形成的精子只有在水分充足的条件下才能游向产生卵子的颈卵器,并最终与里面的卵子结合形成合子,最终发育成完整的植株(孢子体)。正是由于这个缺陷,在距今6500万年前开始的气候变化中,蕨类植物无法忍受日益干燥的气候,逐步退缩到陆地上的潮湿区域。这时,裸子植物和被子植物带着它们的秘密武器登场了。

 

陆地生存能力的进一步历练

在苏铁类植物出现前后,陆地面积还在一步步扩大,植物的生存空间也渐渐从河流湖泊边向内陆拓展开来,它们需要面对从土壤中汲取水分的难题。好在苏铁类植物出现之前,蕨类植物已经做了尝试,开发出运输水分和养分的维管束系统。不过,蕨类植物运输系统的效率还比较低下,这是因为,从根向叶片运输水分和矿物质,以及从叶片向根运输淀粉等光合作用产生的营养物质,使用的都是同一条维管束通道。这时的维管束,就像不分上下行的车道,效率可想而知。而苏铁类植物的水分和养分运输系统已有大幅改进,功能与组织进一步分化,茎干中心木质部里的管胞负责向叶片运输水分,而皮层中的筛胞则负责从叶片向根运输养料,从而大大地提高了运输效率。同时,由管胞组成的木质部使得植物更坚固,能抵御陆地上的风吹雨打,当然也能更有效地防御动物的啃食。

不过,单单是运输系统的改进还不足以使苏铁类植物离开水面走到更干燥的地方,它们还需要解决繁衍后代的问题。

蕨类植物大多不能离开湿润的生长环境,不单单是因为其维管束系统效率低下,更重要的是它们只有在湿润的环境中才能繁殖,况且它们那些产生精子和卵子的叶片状的配子体十分脆弱,环境稍稍变干,就无法进行传宗接代的活动了。

为了克服上述缺陷,以苏铁类为代表的裸子植物把精子和卵子结合的场所搬到孢子体植株上来,同时分别长出了已经明显分化的雌性和雄性孢子(蕨类植物只有一种孢子,它萌发形成的配子体可以同时产生精子和卵子)着生的大孢子叶和小孢子叶,这二者又分别聚在一起成为大孢子叶球和小孢子叶球。

对于大小孢子叶球的来源,目前还没有充分的直接证据。目前学术界比较认同的一种假说是:从孢子叶球的长相上可以推测,它们原本就是一些普通的叶片,后来,这些叶片全力承担起产生孢子的工作,不再进行光合作用。为此,它们所在枝条可以大大缩短,这样一方面使繁殖场所集中起来,使精卵结合更高效,另一方面也为其他叶片腾出了一些吸收阳光的空间。现存苏铁属植物围绕在茎四周着生的大孢子叶就是这种假说的有力旁证。

集中着生的孢子叶不仅为精、卵细胞提供了独特的约会场所,更重要的是当精子和卵子结合之后,整个苏铁植株都会给它们供应能量,帮助它们发育成胚,并进一步发育成种子。不过,包括苏铁在内的裸子植物的胚珠和种子都是裸露的,所以被称为“裸子植物”。尽管如此,裸子植物还是在营养生长和繁殖方面迈出了一大步,它们比蕨类植物更能适应不良环境,在中生代一度成为植物界的霸主,直到今天,依然是仅次于被子植物的第二大类群。


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苏铁之所以能在陆地上站稳脚跟,要归功于它们完善且相互独立的水分和养分运输系统——维管束,以及产生种子这种新型的繁衍方式。图中的这棵树龄超过1000年的苏铁皇,就矗立在深圳仙湖植物园中。

 

靠风靠虫摆脱水的“精子”

在很多裸子植物(如苏铁、银杏)中,大孢子叶球和小孢子叶球是由不同植株生产的,所以精子和卵子怎样相会就成了裸子植物需要面对的问题。为了克服干旱的环境,裸子植物为精子制造了简易的运输包装——花粉粒。这个装置可以带着精子在干燥的空气中飞翔。只要落在合适的地点——大孢子叶球的雌配子体顶端,花粉就会萌发并将精子释放出来,让它与雌配子体中的卵子相结合形成合子,再进一步发育成种子。作为裸子植物的一员,苏铁在很长一段时间里都被认为是依靠风传播花粉的。可实际上,苏铁要聪明得多,它们没有让自己的花粉随风逐流,而是依靠那些来花上寻觅食物的蚂蚁或者甲虫等小动物将花粉从小孢子叶球搬运到大孢子叶球上。

除了传粉手法略显另类之外,苏铁的精子还有两个特点:一是苏铁的精子是世界上所有生物中最大的精子,长可达300微米,宽可达200微米,用肉眼即可看到;二是苏铁的精子既保持藻类和低等维管植物具鞭毛的特点,又能像其他裸子植物和所有被子植物那样借助花粉管输送,是植物精子演化过程中的过渡类型。

苏铁的精子形状如同陀螺一般,前端着生着56圈鞭毛,排成一环一环的。受精前,苏铁类植物的雌性生殖器官—颈卵器内充满液体,当花粉管末端破裂后,精细胞(即精子)随花粉管中的液体一起释放出来,游向颈卵器口。虽然可能有几个精子进入颈卵器,但它们之间竞争激烈,只有1个能与卵细胞融合,其余的精子则不得不滞留在卵细胞外,等待最后的解体。

依靠风传播花粉存在不可克服的缺陷——风力时有时无、时强时弱,要想把花粉准确地送到目的地可不容易。惟一的解决办法就是制造海量的花粉,依靠“人海战术”总能让卵子得到需要的精子。漫天飞舞的花粉可苦坏了那些花粉过敏的人,也浪费了不少资源。虽然苏铁展示了一些笼络昆虫传粉者的技能,但是它们吸引传粉者的手段并不高明,使得效率偏低。随后,依靠特殊手段向规定区域定向投送花粉的植物出现了——开出真正花朵的被子植物。

 

以风为媒到靠虫结亲

被子植物的出现打破了依靠大量释放花粉,促成精卵结合的局面。很多被子植物利用动物将花粉准确有效地送到目的地。当然,动物不会做义务劳动。被子植物为它们准备了花粉和花蜜,动物在一朵花上享用大餐时就将花粉带在身上,当它们去下一朵花赴宴的时候,就会将花粉传到指定的位置上。然而,酒好也怕巷子深,如何把动物吸引到花上,并让它们把花粉准确地送到目的地呢?被子植物为此准备了信号灯和指示牌——美丽的花瓣和丰富的花香。并且不同的招牌对应不同的传粉者。比如说,蓝色或者黄色且气味香甜的花朵(如龙胆、迎春花)主要是由蜜蜂或者熊蜂传粉的,而红色没有气味的花朵(如芦荟)则是由鸟类传粉的。不过,没有甜头动物可不会白干活,花粉中富含的蛋白质和碳水化合物就是动物们的掠夺目标。花朵和传粉者都有自己的“小九九儿”,“战争”自然一触即发。

最原始的甲虫传粉者,收集花粉的效率比较低。所以,像木兰这样依靠甲虫传粉的植物只用生产大量的花粉,填饱甲虫的肚皮,额外的花粉就会被送到柱头上去了。虽然花粉有所损失,但与风力相比,还是节约了不少成本,两者倒也相安无事。

很快,像蜜蜂这样携带高效的“花粉收割机”的昆虫出现了,它们不仅要吃,还要把花粉搬回家。蜜蜂后腿上专门配置了一个承载花粉用的“花粉篮”,为了让花粉保鲜以供长期使用,蜜蜂还在这些“篮子”中抹上了抑制花粉萌发的物质。进入“花粉篮”,花粉就相当于被判了死刑。在这一回合中,花朵损失惨重。无奈之下,一些花朵(如姜花、凤仙花等)开始调整雄蕊的位置,尽量把花粉抹在蜜蜂的背部、胸部那些不容易被触及的地方,同时拿出点花蜜作为诱饵。为了花蜜,倒是有不少传粉者心甘情愿地背上花粉。

不过,这种和谐并没有维持多久。一般来说,花蜜被放置在花瓣基部,昆虫从花朵入口探身吸蜜时,花粉就被抹在它们的身上。有些“奸诈”的昆虫不从“大门”进去吸蜜,而是在花瓣基部开个小洞就开始畅饮花蜜,这样就不用去背那些累赘的花粉,落得一身轻松。

植物也不甘示弱,开发出一系列对抗盗蜜者和盗粉者的利器,兰花(兰科植物)无疑是其中的杰出代表。

 

最精巧的配合——蝶兰之恋

在仙湖植物园的蝶谷幽兰景区,你能看到千姿百态的兰花。有的花朵上带着小兜子(兜兰),有的就像飞舞着的蝴蝶(蝴蝶兰),有的则有如“隐士”一般散发着清香的绿色小花(春兰)。尽管形态各异,绝大多数兰科植物(杓兰和兜兰除外)都有共同特征,就是把花粉“打包”成块,让昆虫无从下嘴,并且还在花粉块外面罩了个“小帽子”(药帽)。这不仅可以防止昆虫偷嘴,还可以防止那些不能把花粉送到指定位置的昆虫搬走花粉。

一般来说,花瓣上长有深色斑点就相当于告诉传粉者“此处有花蜜,请来为我传粉”,这种斑点被称为“蜜导”。只要你在蝶谷幽兰稍加注意就会发现很多兰花上都有这样的标志,不过它们中间却隐藏着手段高明的骗子,蕙兰就是其中之一。这种兰花的唇瓣上长满了深色斑点,相当于打出了“此处供蜜”的招牌。如果有只可怜的蜜蜂不辨真假,钻进蕙兰花中找蜜吃,就只能乖乖地为蕙兰无偿传粉了。除了假蜜导,蕙兰还会发出能够长距离传播的香甜气味。如果一株蕙兰开花,整个山头都弥漫着它的香气。如此之色香俱全,自然会有经不住诱惑的蜜蜂送上门来。

与蕙兰相比,兜兰的手段就更高明了。它们花朵上的小兜子,就是一个个强制昆虫进行免费传粉的陷阱。如果你仔细观察,在每个兜子的上方都有一个小小的平台,这些由雄蕊退化形成的结构就是吸引昆虫的“钓饵”。比如硬叶兜兰会在上面涂上和蕙兰类似的斑点花蜜信号,而带叶兜兰和长瓣兜兰则会在上面放置一些模仿蚜虫的信号。只要寻觅花蜜的熊蜂或者寻找蚜虫的食蚜蝇被引诱到这个机关上,就会落入兜状陷阱。当它们挣扎着从陷阱中逃出时,兜兰就会把花粉抹在它们的背上。在这些背负花粉的昆虫禁不住引诱再次失足落入兜兰陷阱时,就会把花粉涂在下一朵兜兰的柱头上,完成授粉过程。在整个过程中,昆虫都不会受伤,比起吞噬小动物的猪笼草的陷阱,兜兰的陷阱绝对算得上是温柔的。

除了会假装提供大餐,兰花还会模仿雌性昆虫引诱传粉者。欧洲的眉兰和澳大利亚的锤子兰的花朵会把自己打扮成雌性胡蜂。这些假“新娘”不仅颜色像,连“体味”都跟胡蜂“新娘”毫无二致,那些兴冲冲赶来交配的雄性胡蜂就成了传播花粉的免费劳动力。更绝的是,这些花朵在授粉之后,还会改“少女体味”为“少妇体味”,闭门谢客。可怜的雄性胡蜂怎么会明白其中的奥秘。

开出艳丽的花朵使植物结婚生子有了保障,不过怎样保护珍贵的种子,并将它们送到合适的地方生根发芽,还是一个问题。


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眉兰的花朵不仅样子长得像胡蜂,还会释放出“仿制”的胡蜂性激素来引诱雄性胡蜂前来交配。不明就里的胡蜂经常抢着跟这些假新娘交配,从而为眉兰完成传粉。

 

果实不仅仅是种子美丽的外衣

除了花粉,裸子植物和被子植物还发展出了种子这一重要的繁殖结构。这大大提高了植物幼体抵御干旱低温等不良环境的能力。在种皮的保护下,种子可以在地下休眠几年,几十年,甚至上千年,直到环境适合时才萌发生长。同时,有了这种保护结构,植物可以将下一代传播到遥远的地方。

为了适于远距离传播,很多植物(如枫树,杉树)的种子装备了风力滑翔装置(翅),可以借着风力飞到很远的地方。而有些种子(如苍耳)装备了尖刺,它们可以附着在动物的皮毛上,随动物远行。更多的植物将种子藏在可口的果肉中,当动物吞下果子时,这些种子也就开始了旅行。那些没有被消化掉的幸运儿,在被动物排出之后,就在一个新的环境下扎根生长了。

很多植物的果皮和果肉还有“变脸”绝活,它们在种子生长的不同阶段会有不同的扮相和作用。大家也许都尝过还没有成熟的苹果、梨或者桃子,那种酸涩的滋味令我们终生难忘。在这一时期,种子还没有成熟,果皮和果肉里充斥着淀粉和酸类物质,这样一来,厚厚的果皮可以为种子发育提供稳定的环境,另一方面,那种酸涩的口感使动物放弃了取食的想法。当种子成熟时,果肉就彻底改头换面了,其中的淀粉转化成了糖和醇,有机酸也与醇类结合变成芳香的酯类物质。这样的改变会吸引动物前来取食,那些连同果肉被动物吃下又没被消化的种子就会随动物的迁移散播到远离母亲的地方。

 

与人为邻

在很多植物想方设法利用动物的时候,有些聪明的成员已经在利用人来改变自己的命运。它们可以借人类的飞机轮船躲避天敌开疆拓土,也可以用种子作为交换,在人类修建的农田里享受阳光。紫茎泽兰和水稻无疑是这两类植物的典型代表。

别看紫茎泽兰的花又小又丑,它们也能像其他植物的花一样,通过在不同个体间交换花粉结出高质量的种子,甚至还能在没有花粉交流的情况下产生大量种子(每棵高达1万枚),这样就使得紫茎泽兰能够凭借数量和质量优势“攻城掠地”,将其他草本植物赶尽杀绝。如今,它们已经成为我国西南以及东南亚很多树林之下的植物统治者,而这一切,也许就起始于粘在鞋底或者轮胎上来到东南亚的那颗细小的种子。本来,在南美原产地,大量产生种子和无性繁殖只是紫茎泽兰在遭受天敌侵蚀时保命的手段,没想到,在跟随人类的脚步远走他乡之后,这些性状成了它们攻城掠地的重要武器。薇甘菊、凤眼莲和加拿大一枝黄花都是这样的植物,它们如同蟑螂和老鼠一样,迅速适应了人类的生活方式,在人类无意的“帮助”下,获得了广阔的生存空间。当然,除了让人心烦的“植物害虫”,还有更多的植物被人培养成了生活在人脚边的“植物宠物”。

水稻的祖先——野生稻大多生活在水边或者沼泽地带,它们会在种子成熟的那一刻,顺着风和水流将种子迅速播撒出去。这样就给收集稻谷的人带来很多麻烦,如果要随着稻谷的成熟,今天收三颗明天收两颗,纵然谷穗再大,谷粒再饱,一季稻谷收下来还抵不上天天去“野生稻田”的消耗。好在并不是所有的野生稻个体都是精明的种子传播者,有些个体因为基因的变异,使得成熟谷粒稳稳地站在穗头,只有经过人们的敲打才会脱落。这些个体就成了便于采集收获的栽培水稻的祖先。虽然,它们在自然界无法散播种子,传宗接代,这些“不幸”的种子却在人类的谷仓里找到了“安乐窝”。尽管大多数水稻种子都进入了人类的肚皮,但是它们的基因却会在人的呵护下传递下去。

由于人口数量的激增,以及人们对生活品质要求的不断提高,人们已经不满足于对植物的简单挑选和培育,而是利用基因工程技术,让特定的物种在实验室中快速进化。抗除草剂品种的产生就是这样的代表。其基本原理是,将抗除草剂的基因导入水稻、玉米、油菜等农作物中,就像给它们带上防毒面具。在田中喷洒除草剂时,像稗草等没有这种基因的杂草就会被杀死。

在人们和农作物庆贺在对杂草的战斗取得确定性胜利的时候,更大的危机也露出了“冰山一角”。在加拿大,一些没有被及时收获的携带抗除草剂基因的野生油菜,已经开始拓展自己的领地,如果没有很好的对策,用不了多久,地球上的田地里都会开满超级杂草的花了。

看来,依靠人类传播种子和基因重组,已经让很多植物在进化历程上迈出了前所未有的一大步。今天给人类制造的小麻烦,也许正是它们席卷全球的前奏。

 

绿色植物的进化历程

在很多文字中,对于植物在环境中的进化是这样描述的:为了多吸收阳光,它们长出了形态各异的叶片;为了招蜂引蝶帮自己传播花粉,它们开出了月季那样五颜六色的花朵;为了让自己的种子开疆拓土,它们在种子外边“包”上樱桃那样可口的果肉,引得动物前来聚餐,那些被囫囵吞下的种子随着动物的翅膀或者四足“远走他乡”;更有甚者,为了避免被不友善的动物啃食骚扰,它们像“见血封喉”那样还准备了“化学武器”。

这里需要澄清一点,包括提高光合作用效率、传播花粉和种子的“高招”,并不是植物有意识炼成的。在自然界中,决定植物“生存招数”的基因是通过突变随机产生的,只不过那些不能吸收阳光的叶子、困守花内的花粉、老死枝头的种子,都没能在残酷的生存竞争中活下来。通过基因突变和重组产生变异,经过自然选择,有利的变异被保留。新的绿色生命适应了周围的环境,将自己的基因传递下去,这正是达尔文进化论的核心所在。

由于人类的出现,植物面对的选择压力中又增添了因素。人类的喜好在很大程度上决定了植物,特别是农作物和园林植物的形状改变和进化方向。像谷穗饱满的水稻、美味的草莓、素雅的玉兰花这些适合人类需要的植物获得了前所未有的发展机会。

从叶绿体到叶和根,从维管系统到种子和花,植物一步一个脚印走到今天。当第一个光合细菌开始利用太阳光制造营养物质时,它一定不会想到,其子孙后代将遍及全球,并最终成为生命世界的基础。今天,很多植物在人类活动的影响下迅速消亡了,但是还有很多植物顽强地生存了下来,特别是那些被人类视为“恶性杂草”的种类(如紫茎泽兰、微甘菊等),也许这些“恶性杂草”正代表了未来植物的发展方向。人类很难加以控制,恰恰说明它们拥有强大的适应力。也许有一天,这些植物的子孙将迈上新的进化台阶,延伸到地球的每个角落,继续讲述植物进化的神奇故事。

 

保护植物进化的“足迹”

中生代的苏铁,几乎遍布整个地球,在当时,地球上每三种植物中就有一种是苏铁类植物,堪称中生代植物界的一大旺族。然而盛极而衰,曾经繁荣显赫的苏铁类家族在历经沧海桑田后,目前仅留存少数后裔,也就是我们通常所提及的苏铁科、蕨铁科和泽米铁科植物,共计3科、11属,约300种植物,主要分布于热带、亚热带地区。我国仅分布有苏铁科、苏铁属,约25种左右,主要分布于西南、华南及东南沿海。苏铁属是现存苏铁类植物中最古老的类群,间断分布于亚洲东南部、大洋洲、部分太平洋岛屿及非洲的马达加斯加岛。苏铁类植物的这种独特的地理分布现象为我们研究大陆漂移及板块运动提供了有趣的线索。

然而,由于全球气候变化,苏铁类植物的生境正在日益减少,加之苏铁类植物集古老、奇特、重要的科研和生态价值于一身,成为人们争相收购的对象,使苏铁类植物的处境雪上加霜。据统计,约53%的苏铁种类被列入IUCN保护植物红皮书名录中。在我国,所有的苏铁属植物均被列为国家一级保护植物。

为保护苏铁类植物,国家林业局于20021218日与深圳市城市管理局在深圳仙湖植物园合作共建了我国惟一一家以苏铁类植物保育和研究为目的的“全国野生动植物保护及自然保护区建设工程—苏铁种质资源保护中心”。如今该中心已发展到占地3万多平方米,收集保育了来自世界各地的苏铁类植物310200多种,取得了迁地保育的初步成功。同时开展了苏铁保育、分类、系统发育和分子生物学等方面的研究,建立了相应的生物学实验室。经过多年的建设和发展,苏铁迁地保存中心已经成为一个集科研科普、迁地保存、旅游及生产于一体的多功能的国际苏铁迁地保育中心。

有资料表明,苏铁类植物在全球生物多样性保护方面扮有重要角色:全世界约有40%的苏铁种类分布于全球生物多样性保护的热点地区。因此,有不少苏铁物种被当做全球生物多样性保护中心的“旗舰种”,苏铁类植物保护的严峻性和重要性由此可见。

德保苏铁(Cycas debaoensis Y.C.Zhong et J.R.Chen)发表于1997年,是国家一级保护植物。该种星散分布于我国广西西部和云南东部,海拔330米至1000米,正好处于当地百姓农耕地范围内,其分布区内毁林开荒及盗挖现象比较严重。在其被发现后短短几年的时间里,其模式产地的野生种群已由原来的2000余株迅速下降到不足800株。同时,先后被发现的其他14个野生居群的个体数量也在迅速下降,其中的3个居群在被发现时植株已所剩无几。据调查目前其野外种群留存株树总数不足2000株。更为糟糕的是,目前所发现的德保苏铁所有分布点均不在保护区之内,从而使其保护得不到实际的保障。

深圳仙湖植物园在对德保苏铁的野生居群的分布、群落和生态特性,以及遗传多样性等进行调查和研究的基础上,利用“中心”优势,批量繁育了大量的德保苏铁幼苗,将500株经过DNA亲子鉴定的幼苗,回归定植到距其模式产地不到10公里的黄连山自然保护区,从而达到扩大原生种群、保育好这种濒危植物及其自然生境的目的。该项目于20061226日通过了国家林业局保护司组织的专家论证;国家林业局印红副局长于200711月正式宣布启动“德保苏铁回归自然项目”;200842日上午,德保苏铁回归自然项目野外定植仪式在广西德保县回归地举行,500株健壮的德保苏铁苗木回到了广西老家。时隔1年半后,专家们对回归的德保苏铁苗木的生长情况进行跟踪考察,确认回归后的德保苏铁长势良好,说明德保苏铁回归自然项目迈出了可喜的一步,为确保德保苏铁成功的回归自然,专家还将开展后续的科学研究和生态恢复试验,直到德保苏铁能在回归地正常开花,繁育下一代,并最终与周边环境融为一体。对此,时任国家林业局保护司副司长的贾建生表示:“通过开展德保苏铁回归自然项目,把公众的注意力引向如何保护这种植物及其赖以生存的生态环境上,其意义远远超出单一的物种保护,同时该项目的实施将为我国珍稀濒危极小种群的保护探索新的保护途径。”

 

(本文发表于《科学世界》2010年第1期)


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