|
|
尖喙牻牛儿苗种子穿透结皮 |
|
|
自带“防晒霜”的植物 |
|
|
古尔班通古特沙漠 |
|
|
光学显微镜镜头下的沙漠“皮肤” |
|
|
沙漠的苔藓植物 |
□张元明 当我们走进微观世界，就会发现沙漠也是有“皮肤”的。 沙漠的皮肤长什么样呢？沙漠的皮肤能像人类的皮肤一样去保护沙漠吗？ 新疆北部准噶尔盆地腹地的古尔班通古特沙漠跟塔克拉玛干沙漠最大的不同就在于，它的表面是固定的或者是半固定的——它的沙丘顶部有一些流动带，但沙丘的坡部和底部基本上属于固定状态。导致这些沙丘被固定住的一个很重要的因素，就是这里有一层沙漠的“皮肤”。 什么是沙漠“皮肤”？ 我们都知道，苔藓一般生活在比较湿润的地方，但在沙漠里面，我也找到了苔藓植物——地表上那黑乎乎的、不招人待见的一片。 这些苔藓植物并不起眼，它们覆盖在地表上，看起来既干又黑。不仔细看，大家不会注意到这片沙漠表面会有这么一个薄层。但当我不小心把一瓶矿泉水倒在了那层黑乎乎的东西上，不过几秒钟时间，原本黑乎乎的表面就变绿了——处于休眠中的干燥植物体遇到水分后开始展叶复活，由黑变绿，只需几秒钟便欣欣向荣。对沙漠来讲，这层东西就相当于一个保护层，所以我们把它称为沙漠“皮肤”。 从学术角度来讲，沙漠“皮肤”应该被称为生物土壤结皮。 这薄薄的一层在电子显微镜下被放大2000倍后，我们可以看到，薄层中间被很多绳索状的东西捆绑着、缠绕着，维持着某种结构。这些“绳索”是绿色的——绿色的植物体就意味着它能够进行光合作用，能够自力更生地养活自己。它和人类的皮肤一样有两大特点：第一，起保护作用；第二，有生物活性。它们能呼吸、排泄、生产，从而维护着荒漠生态系统的稳定。 这层薄层中并不只有单一的物种。“皮肤”里面的物种非常丰富，既有单细胞的藻类等生物，也有多细胞生物，还有丝状或团状的生物，它们更为复杂，还有根茎叶的分化，比如苔藓。它们聚集在一起组成一个“大家庭”，共同保护着沙漠。 这些生物可帮助沙漠“固氮” 植物的繁殖与生长都需要水分。面对沙漠里的种种不利条件，这些物种为什么还要在这里“安家”？它们在沙漠里到底是怎么生存下来的？ 其实生长在沙漠中的物种是能够实现自给自足的。一些微小的生物为了活下来，除了努力进行光合作用以外，它们还具有一个特别重要的功能——固氮。 氮是植物生长的必需元素之一。虽然大气成分当中，70%以上都是氮气，但这些氮气并不能直接为植物所用。只有将其固定下来，转化成可供利用的化合物，才能够被植物利用。沙漠中这些微小生物为此形成一个非常稳定的小团体——它们互相帮助，把氮气固定下来，转化成肥料供自己使用，用不完的再留给其他植物。依靠这些微小生物，整个古尔班通古特沙漠每年可以固定约4500吨氮素。 我们把这些微小生物称为“天然绿肥”，正是它们在丰富着沙漠地区植物的生长环境。 沙漠苔藓“自带防晒霜”，还会储水 沙漠中不仅有高温，还有强光。但沙漠里地表这些非常脆弱的生物体有自己的办法防晒——当苔藓植物生长的时候，植株肯定是绿色的，但当外界条件不利于它们生长时，植株就变成了黑色。与此同时，苔藓植物还会把所有叶片收起来，紧靠茎干。此外，其叶片顶端还具有很多白色的结构，称之为芒尖。苔藓植物会利用叶片顶端白色芒尖来强化对强光和紫外线的反射，避免植株体受到伤害。也就是说，这种苔藓植物“自带防晒霜”。 对于苔藓植物来说，其顶端的白色芒尖不仅仅是“防晒霜”，还能起到输水管的作用。 从生物力学角度看，白色芒尖里有很多在纳米尺度内的结构。研究发现，这种结构表面有很多运河式的沟槽，这些结构非常有利于植物发挥表面毛细管作用，有利于水滴向下运输。这些结构是水分子在物体表面形成水膜的最佳配置。显然，这是通过自然选择，不断进化出来的结构。 它们不仅会防晒，还能在低温环境下，头顶着“冰晶”照样快乐成长。这些小小的植物体内包含了很多非常宝贵的种质基因，因为这些基因，它们才能克服不利的环境条件生存下来。经过多年进化，这些脆弱的物种早已跟沙漠融为一体。 这类植物还有一点非常神奇，它不是靠根吸收水分，而是依靠叶片通过这些表面精细结构直接从空气中吸收水分。所以，它的根被称为假根，假根只起到稳定植物体，使其固着于基质的作用。 尽管沙漠地区空气中所含的水分非常少，但植物顶端的芒尖依然能够把空气中的水分收集起来，为己所用。这个发现在仿生学方面是值得参考的。这一研究成果已发表在《Nature》杂志的子刊《Nature Plants》上。 《Science》杂志的相关评论文章认为，如果人类可以利用这种非常神奇的、精致的自然结构，人为制造“水分收集器”，并将其放到沙漠里，是不是就能帮助在沙漠中生活的人类收集水分呢？或许该项研究的成果在未来人类探索火星时会得到应用。 沙漠里种子的形状可能决定着“生死” 但并不是整个沙漠都有一层沙漠“皮肤”就是好事。如果这种结皮大量生长，其他物种的生存空间就会迅速丧失。而某区域植物多样性的降低，意味着该区域的生态系统不够稳定。 我们还发现，真正适合在这个区域生长的植物，可能都有某种特殊形态的种子才能繁衍生息。这些种子的形态跟普通种子大不相同，有些外面有附属物——有的“戴着帽子”，有的“穿着衣服”，还有的“放着风筝”……还有些种子在“裸奔”——什么附属物都不带。我们猜测，这种“裸奔”的种子可能更容易在沙漠“皮肤”上生存。因为它更容易掉到缝隙和孔隙当中，接触土壤并开始萌发。而有些因为无法稳定地接触到土壤，最后就不能生根发芽，久而久之就会被淘汰。 在沙漠中那些长满“皮肤”的地方，更容易出现大量的绿色植物。它们的种子更怪异，附属物会很长、很大。比如有一种植物种子长得像子弹头一样，从种子上会伸出一个“旗杆”，“旗杆”顶上还有“羽毛”，为了生存，这种种子能通过“羽毛”在风力作用下开始旋转，最终完整地穿透结皮，进入土壤。这也是一种独特的生存之道。 沙漠皮肤也会得“皮肤病” 沙漠里的土壤结皮归根结底是个好东西。如果它不得“皮肤病”，一定能保护好沙漠。但如今的沙漠患上“皮肤病”也不少。 这些“皮肤病”来自于人类的干扰，其中有大型工程的干扰，有大型车辆的干扰，放牧对沙漠结皮的破坏也很大，这些问题都可能导致沙漠的“皮肤”斑斑驳驳，“疾病”久治不愈。 我们要加强对沙漠结皮的保护。沙漠如果没有这层结皮，就会不稳定，会缺乏营养，失去调节者，甚至导致更多沙尘暴。 如今，沙漠旅游、沙漠徒步已逐渐成为“新兴人类”所关注的大热项目，但大家不要忘记去沙漠徒步的时候，尽量排成一队，尽可能不要大规模地破坏地表结皮，避免不文明行为。正如美国拱门国家公园的一块招牌式标语牌上有一句话说：你踩在沙漠结皮上的一个脚印，可能已瞬间将已经发育和生长了数百年的生命摧毁。 （文图来源：格致论道讲坛）
