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科學(xué)普及
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科普文章
走進中國科學(xué)院昆明植物研究所的標本庫，靜謐而神圣，這里沉睡著不計其數(shù)的植物標本。抽開一本翻開來，發(fā)黃的莖稈記錄著曾經(jīng)茁壯的脈絡(luò)，訴說著曾經(jīng)的輝煌。它們都曾風(fēng)華正茂，現(xiàn)在經(jīng)由一雙雙從事植物研究工作人員的手，被完整地保存了下來，得以永恒。 一直以為從事研究植物的人是充滿樂趣且悠閑的，每天面對花花草草，想必是十分單純美好的生活吧。實際上，真正接觸下來才知道并非如此。在我們采訪的從事高山植物研究的工作人員中，他們常常需要去到人跡罕至處進行考察，也常需要面對惡劣的環(huán)境和艱苦的條件，有些甚至一去2、3個月方得歸家。確定科考項目以后，戴上帳篷進山，有時候需要自己埋鍋造飯，就從當?shù)乩习傩帐稚腺I上不少白菜、土豆、蘿卜以備不時之需。進山以后，有時候找不到住處，甚至只能棲身山洞。有的地方交通不便，到達山腳以后，還要步行2-3天方可到達，有些地方水流湍急，車輛差點側(cè)翻，所幸沒有被卷進冰冷刺骨的水中…… 所有這些艱苦訴說了植物研究工作者的辛勤和不易。然而他們的精神世界卻又是如此豐富，雖然面對的是不會說話的植物，但是只要用心投入到植物的世界中去，會發(fā)現(xiàn)這個世界是活的，是如此多彩而又趣味十足的。高山組，全稱高山植物多樣性起源與演化研究組，是中國科學(xué)院昆明植物研究所東亞植物多樣性與生物地理學(xué)重點實驗室的一個研究團隊，該團隊長期以來致力于探究植物在高山環(huán)境如何生存、發(fā)展、演化。成果之一“高山植物多樣性的研究”榮獲2009年度云南省自然科學(xué)一等獎。今天就由他們?yōu)槲覀冋故疽幌轮参锏挠腥な澜纾?/span> 師法自然——高山冰緣帶植物“生存之道” 高山冰緣帶，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中海拔最高的生境，位于高山草甸之上，永久雪線之下。這里太陽輻射強烈，晝夜溫差巨大，土壤基質(zhì)貧乏，是絕大多數(shù)高等動植物的分布禁區(qū)。乍一看狀如月球表面抑或戈壁的不毛之地。待走近仔細一瞧，您會發(fā)現(xiàn)這里其實是一個物種多樣，生機盎然的世界。多種植物長期在嚴酷的環(huán)境下生活，形成了各種獨特的適應(yīng)機制。在云南西北部香格里拉縣的很多高山冰緣帶，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了很多有趣的冰緣帶植物生活類型。
云南香格里拉大雪山高山冰緣帶景觀 (圖/樂霽培) 一、 避寒保暖 各有妙招 一身披毛的雪兔子 雪兔子 (Saussurea sp.)，是菊科風(fēng)毛菊屬雪兔子亞屬植物，它們的莖、葉和花序都密被白色長絨毛，加之植株矮小粗壯，遠遠望去宛如一個個敦敦實實的兔子，故而得名雪兔子?？蓜e小瞧了它們的一身絨毛，這可是它們得以在高山冰緣帶安身立命的資本。蓬松的絨毛使得植物內(nèi)部空間充滿空氣，對溫度變化有良好的緩沖作用，使得植株無論在太陽輻射強烈的白天還是溫度急劇下降的夜晚都能保持相對穩(wěn)定的小環(huán)境，避免極高和極低的溫度波動對植物組織的傷害。銀白色的絨毛還能反射掉部分紫外線，防止紫外線直射對植物繁殖器官的傷害。同時，這些絨毛還可以防止雨水對花粉的沖刷（雨水會沖走花粉，同時也會使花粉破裂），保證在一定時間內(nèi)花粉的數(shù)量和質(zhì)量，有利于提高繁殖成功率?？茖W(xué)家進行的去除被毛的試驗表明，去除被毛的個體都不能完成完整的繁殖過程。正由于有了這一身蓬蓬松松的絨毛，雪兔子才得以適應(yīng)高山冰緣帶的惡劣生境，世代繁衍。 水母雪兔子 （圖/陳建國）
棉頭雪兔子（圖/彭德力） 溫室植物——塔黃 塔黃 (Rheumnobile)，是蓼科大黃屬植物，高可達1-2米，是高山冰緣帶的小巨人。因其植株從上到下被漸次伸長的乳黃色半透明苞片層疊包裹，狀如寶塔，故而得名塔黃。如果剝?nèi)グ蜁吹嚼锩嬗梢欢涠湫』ńM成的總狀花序。這些層層疊疊的苞片構(gòu)成一個“溫室”，使得里面的小花得以在適宜的溫度下完成生長發(fā)育、受精結(jié)實等一系列過程。這一溫室的保溫效果是非常顯著的，科學(xué)家檢測得知，在晴朗的正午，溫室結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度要比同時期的外部環(huán)境氣溫高出10℃以上。除卻保溫作用，這一溫室結(jié)構(gòu)還為塔黃的傳粉昆蟲的幼蟲提供了舒適的生長環(huán)境?？茖W(xué)家研究證實，為塔黃傳粉的是一種蕈蚊。這種昆蟲的雌、雄蟲首先在苞片外交配，之后雌蟲進入苞片內(nèi)，在花間爬行并將卵產(chǎn)入一部分花的子房內(nèi)。在此過程中，粘附在昆蟲身體上的花粉被傳遞到柱頭上實現(xiàn)傳粉。子房內(nèi)的卵在種子即將成熟時開始孵化為幼蟲，并以成熟的塔黃種子為食，完成幼蟲發(fā)育。之后爬出果實鉆到土壤下面化成蛹越冬，第二年6月份又羽化為成蟲，開始下一個世代。盡管蕈蚊的幼蟲會消耗一部分種子，但蕈蚊在訪花時也為塔黃傳了粉，因此是一種種子寄生性傳粉互利共生關(guān)系。束扎塔黃苞片實驗表明，去除“溫室”效應(yīng)后，塔黃的種子產(chǎn)量顯著減少，由此可見這一“溫室”環(huán)境對塔黃適應(yīng)高山環(huán)境的重要作用。 塔黃 （圖/宋波） 束扎塔黃苞片試驗 （圖/宋波） 二、植物界的“偽裝高手”——囊距紫堇 枯葉蝶和竹節(jié)蟲是眾所周知的動物界偽裝高手，通過模擬環(huán)境的顏色來逃避天敵的捕食。無獨有偶，在高山流石灘上科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了一種植物界的“偽裝高手”——囊距紫堇。 囊距紫堇 (Corydalis benecincta), 罌粟科紫堇屬植物，因花距粗大成囊狀得名。囊距紫堇同一居群內(nèi)有兩種不同的植株，一種具正常的綠色葉片，另一種具灰色葉片。后一種葉片的顏色與環(huán)境中礫石石塊的顏色非常相似，如果不是開花期，很難憑葉片把植株從環(huán)境中區(qū)分出來。同一種植物里出現(xiàn)兩種葉片顏色分化的現(xiàn)象引起了科學(xué)家極大的興趣。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，原來囊距紫堇長出灰色的葉片是為了逃避一種絹蝶的昆蟲。每年6月初，絹蝶成蟲會將卵產(chǎn)在囊距紫堇植株附近，大半個月后，絹蝶幼蟲孵化出來，就以囊距紫堇肥厚的葉片為食。為避免成為絹蝶幼蟲的“盤中餐“，囊距紫堇進化出了具灰色葉片的個體。大量的野外觀察表明，具灰色葉片的個體大都能逃過絹蝶幼蟲的迫害存活下來，相反的，具綠色葉片的個體就不是那么幸運了，絕大多數(shù)在葉片還沒能完全展開的幼芽階段即遭到了絹蝶幼蟲的啃食。因此，囊距紫堇這一物種繁衍后代的任務(wù)就主要落在具灰色葉片的“偽裝高手”身上了。 具綠色葉片的囊距紫堇,左邊巖石上的2個白點即為絹蝶的卵（圖/牛洋） 具灰色葉片的囊距紫堇（圖/牛洋） 遭絹蝶幼蟲啃食的囊距紫堇（圖/牛洋）
三、眾人劃槳開大船——“墊狀植物” 俗話說“團結(jié)就是力量”，眾所周知，動物界螞蟻、蜜蜂等社會性昆蟲營集群生活，可以把微不足道的個體力量匯聚成巨大的集體力量。在高山冰緣帶，也有一種植物通過無數(shù)的小枝多年輻射式生長，最終形成一個“龐然大物”，這就是石竹科無心菜屬植物瀾滄雪靈芝(Arenaria lancangensis)。這種植物緊貼地面或巖石生長，無數(shù)的小枝簇生在一起，像是在堅硬的巖石上鋪上了一層柔軟的墊子，因此這種植物也被形象的稱之為“墊狀植物”。 為探究墊狀植物的生長情況，科學(xué)家挖出整個植株觀察了解內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)墊狀植物地下部分具有一條粗壯而結(jié)實的木質(zhì)主根，從主根上發(fā)出無數(shù)分枝密集排列成球形或半球形。經(jīng)仔細分析得知，正是這種墊狀植物的生活型態(tài)使得瀾滄雪靈芝能夠很好地在環(huán)境條件惡劣的高山冰緣帶生存下來。首先，排成球形或半球形的眾多分枝極大地增加了植物的表面積，使整個植株進行光合作用的有效面積也大大增加。第二，墊狀植物具有良好的聚熱和熱量緩沖作用，在晴好的白天，墊狀植物表面溫度比同時期的氣溫高出10 ~15℃，可以在很大程度上補充高山冰緣生境中熱量的散失，保障植物光合作用高效進行；當日照輻射變化劇烈時，墊狀植物內(nèi)部的溫度變化幅度明顯小于其表面及周圍的溫度變化幅度。第三，墊狀植物具有良好的吸收和保持水分及養(yǎng)料的能力，既可保證植物在土壤營養(yǎng)不足的情況下進行高效的光合作用，又可保證幼苗及花芽等分生組織的順利發(fā)育。正是由于有了這些有利條件，墊狀植物才能一年年地向外輻射生長，占據(jù)越來越大的面積。而一些小枝衰老死亡后，干枯的枝葉又聚集在植株中間部分變成肥沃的養(yǎng)料。當其他高山植物的種子碰巧落到墊狀植物表面時，就會在墊狀植物上生根發(fā)芽，定居下來，于是不同物種就共同組成了荒原上的“生命方舟”。 墊狀植物瀾滄雪靈芝 (圖/陳建國) 墊狀植物剖面圖 (圖/陳建國) 不同種植物共同組成的“生命之舟” (圖/陳建國) 四、審時度勢，能屈能伸——“垂頭植物” “人在屋檐下，不得不低頭”，但在開闊的高山冰緣帶，一些植物也隨時垂下“高貴”的頭。百合科貝母屬的梭沙貝母(Fritillaria delavay)和菊科垂頭菊屬的紫莖垂頭菊(Cremanthodium smithianum)就是高山流石灘上常見的兩種“垂頭植物”。 這兩種植物都是多年生草本，花朵輻射狀或盤狀，下垂。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，這種“垂頭”生長的習(xí)性也是植物與高山環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果。大多數(shù)植物的花朵都是直立朝上，這樣便于招蜂引蝶，有利于花粉的傳遞。但在紫外線輻射強烈且時有強降雨的高山流石灘，花朵向上綻放容易使花粉遭受紫外線和雨水沖刷的傷害。而下垂的花朵則能避免紫外線和雨水的傷害?？茖W(xué)家研究鐘花垂頭菊時發(fā)現(xiàn)，下垂的花序一方面能很好地保護花粉，使其免受雨水的沖刷和紫外線的傷害；另一方面，在晴天時能夠顯著提升內(nèi)部的溫度，便于花器官的發(fā)育以及種子的成熟。科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，有些植物更聰明——它們的花朵在天氣晴朗時朝上開放，當降雨來臨時則迅速垂下，既充分地利用了陽光，又很好地避免了雨水對花粉的沖刷。正是這種審時度勢，能屈能伸的生存智慧，使得垂頭植物能在環(huán)境惡劣的高山流石灘站穩(wěn)腳跟，一代代繁衍不息。 梭沙貝母 （圖/彭德力） 紫莖垂頭菊（圖/彭德力） ? |
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