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08游戏中心·CC讲坛牛洋:高山植物的生存之道

2020年-01月-02日 09:26:21
 【摘要】摘要:CC讲坛第31期于2019年6月13日在北京东方梅地亚中心M剧场举行,中国科学院昆明植物研究所副研究员牛洋出席并演讲,主题为《高山植物的生存之道》。以下为演讲实录:牛洋:今天很高兴有机会跟大家分享一些关于高山植物的故事。这是我所在的研究团队,高山植物多样性研究组关心的问题。许多高山植物,它的形象是为了应对寒风和冷雨来设计的。植物还有化学防御,很多植物的味道让人印象深刻。

08游戏中心·CC讲坛牛洋:高山植物的生存之道

08游戏中心,CC讲坛第31期于2019年6月13日在北京东方梅地亚中心M剧场举行,中国科学院昆明植物研究所副研究员牛洋出席并演讲,主题为《高山植物的生存之道》。

身处高原如何应对寒风冷雨?手无寸铁何以对抗尖牙利齿?植物有自己的策略。

以下为演讲实录:

牛洋:今天很高兴有机会跟大家分享一些关于高山植物的故事。

我们跟植物打交道少不了要去野外,我们在野外工作的地方主要是分布在川滇藏的一些横断山,喜马拉雅的高山地带。我知道大家对这些地方的印象,可能是这个样子的,或者是这样的,或者至少应该是这样的吧。但实际上我们在野外工作的状态,可能是这样的,这样的,还有这样的。这张照片里有两个人都是我的同事,大家可能没有猜出来。

在海拔4000米以上的高山环境里,陪伴我们的是缺氧、暴晒、冷雨和寒风。人家说:工欲善其事,必先利其器。我在野外工作的时候,对帽子有一点特殊的要求,这是我的帽子,它看起来是一顶太阳帽,但实际上里面是抓绒的,然后四周还护着耳朵,就是说它既要遮阳又要保暖,一般人不会有这么矛盾的要求。

我们是有帽子戴,有衣服穿的,而且我们也不用天天待在野外。但是那些高山植物,它们一辈子都生长在那里,它们该如何应对这种严酷的环境呢?这是我所在的研究团队,高山植物多样性研究组关心的问题。

许多高山植物,它的形象是为了应对寒风和冷雨来设计的。在我们感觉到寒冷的时候,我们想要躲在屋里面,如果没有房子的话,我们就要自己造。塔黄以及苞叶雪莲这类植物,它们具有发达的半透明的苞片,这些苞片把脆弱的花序部分裹在里面,我们把这类植物叫做温室植物。如果没有房子住,那就多穿点衣服呗,雪兔子以及绵参这些植物,它们有厚实的毛被,这些毛被能够让它们保持温暖,并且在一定程度上让它们保持干燥,我们把这类植物叫做绵毛植物。又没衣服穿,又没房子住,应该怎么办?那就团成一团好了,这些植物,比如高山上的委陵菜属植物,还有无心菜属植物,它们长成团垫的样子,这种特殊的结构,能够让它们在一个微环境里保持相对温暖,我们把这种植物叫做垫状植物。

植物不仅要应对特别艰辛的物理环境,它们还要应对活的敌人。为了躲避天敌的取食,它们想尽了各种办法。我们讲到植物防御的时候,对我们人类而言,其实是一个“能、怎、好”的问题。我们之所以要问,有些植物能不能吃,好不好吃,就是因为它们其中有一些真的是不能吃,不好吃。不少植物具有锋利的刺,还有很多植物,它们的叶片,特别坚韧,难以下咽,这些东西我们都称作植物的物理防御。

植物还有化学防御,很多植物的味道让人印象深刻。比如这种香菜里面含有很多醛类物质,据统计有21%的东亚人,包括我自己都没法接受这种味道。但是就是有那种不按套路出牌的人,我想在座的各位,里面肯定有很多人爱吃香菜,也有很多人可能爱吃鱼腥草,我请你们要考虑一下这些植物自己的感受。再想想,烟草当中的尼古丁,还有咖啡中的咖啡因,这些生物碱其实都是植物生产出来用来抵御天敌的,但现在却成了人类戒不掉的瘾。

在自然界也是一样的,马兜铃酸的毒性大家可能都已经有所了解了,这种物质在马兜铃属植物里面,含量特别丰富。但是就是有一类蝴蝶的幼虫,它特别喜欢马兜铃,而且它还能把马兜铃酸富集在自己的体内,变成自己的防御武器。所以你永远都没有办法预料自己的敌人它会有多强大。

还有一类更高明的伪装,干脆就不要暴露自己。这张照片是我在云南怒江州拍摄的,这里面其实有一只挺大的虫子,我不知道大家看到没有,再给大家一秒钟时间,它在这里,其实我也没有看到,当初是一个朋友指给我看的。

下面我就着重跟大家分享一些,关于伪装的故事。伪装的案例在动物界中非常常见,它有很多种类型,比如左边这种,沙滩上的一只螃蟹,这只螃蟹的体色非常均一,而和它的背景沙滩完美地融合起来,我们把这种类型叫做背景匹配。中间的这种,我们把它叫做混隐色,这只螃蟹的体色,上面有很多的斑纹,这些斑纹色彩对比很强烈,营造出一个虚假的边缘效果,这样一来,天敌就很难发现它的真实轮廓。右边这种类型我们把它叫做乔装,自然界中的很多生物,它把自己扮演成那些无关紧要的东西。比如这只凤蝶的幼虫,它把自己装扮成一坨鸟屎,虽然看起来挺醒目的,但实际上,对一个缺乏经验的猎手来说,它是不大可能对一坨鸟屎产生兴趣的。

虽然这些伪装现象看起来都很神奇,实际上都可以被经典的自然选择理论所解释。如果一个自然群体里面它存在变异,并且天敌也就是选择的力量,足够强大,那么伪装差的个体就会被淘汰,伪装就会越来越完美。

我是研究植物的,植物也有那么多天敌,它们会不会伪装呢?画面上这个老人,他叫华莱士,当年他和达尔文,各自独立地提出了自然选择理论。大概在150年前,他写过一篇论文叫做《动植物的色彩》,在这篇论文当中,他主要是写动物的色彩,植物部分只提到了花的颜色,而完全没有提到关于防御方面的色彩,为什么呢?论文当中有一句话是这么说的:诚如我们所见,动植物需要躲避或者警示天敌,它还要辨识同类,因此它们的体色,在很大程度上取决于这些需求,而植物则不常隐藏自己,它们转而通过利刺,厚皮,毛被以及毒素保护自己。跟大家的想法一样,华莱士,他也觉得植物的伪装可能没什么好说的,但他确实也注意到这么一类特殊的植物。这类植物在最近几年成了我们的网红,多肉植物石生花。石生花在南部非洲的原产地是长这个样子的,我不知道大家找到没有,在这幅画面的中上部分。石生花属植物,是植物伪装当中的一个非常经典的案例,但是令人诧异的是,一百多年都过去了,一直都没有一个比较严格的实验来检验它。我们现在不知道,是什么东西来吃它,也不知道它的伪装有没有起到作用。

很遗憾,华莱士他没有来过我们中国,他不知道我们的西南山地有很多神奇的植物。比如说这一种,它叫囊距紫堇,生活在我们西南横断山区的高山流石滩上。这样的环境,当我第一次见到它的时候,我就在琢磨,它为什么要长成这个样子。经过长时间的观察我们发现,它是一种名叫绢蝶的昆虫的寄主,绢蝶母亲在交配之后把卵产在紫堇的附近,然后这些幼虫孵化以后就以紫堇为食。紫堇的个体非常小,但是幼虫的食量特别大,所以经常把紫堇的地上部分啃得一干二净,幼虫慢慢长大化蛹,然后羽化成蝶,开始新的循环。了解了整个生活史以后我有一个猜测,紫堇如果能够通过伪装,躲避绢蝶母亲的搜寻,那么它们就有可能活得更久,产生更多后代,这个推测挺合理的对吧。但是实际上还有很多的问题,最大的一个问题就是,你怎么知道它伪装了?

这个颜色,它的官方名称做珊瑚橙,它是潘通公司在今年发布的年度流行色。在我们人类看起来它大概是这个颜色,但是你们家的猫猫狗狗看起来,它可能是这个颜色。我们能够看到什么样的色彩,取决于有什么样的光受体参与了这个色觉过程。我们人类具有红绿蓝三类光受体,可以感受400到700纳米的光波,我们把这段光波称为可见光。我们人类对红色特别敏感,但是很遗憾我们看不到紫外光,这也是为什么它们叫紫外光的原因。咱们人类的这种色觉特性,实际上在动物当中是非常少见的。绝大多数昆虫它是可以看到紫外光的,比如蜜蜂。蜜蜂就可以看到某些花朵在紫外区域发出的一些隐藏信号。这些信号是我们肉眼看不到的,但是可以通过一些特殊的手段,比如数码相机经过改造,然后配合合适的滤镜,我们可以得到还原。但是蜜蜂对红色非常不敏感,它们有可能分不清家门口到底是邮局还是消防队。再看鸟类,它们对红色和紫外光都非常敏感。而绝大多数哺乳动物,在我们看来是属于色盲的,因为它们对红色很不敏感。但是大家了解了这些色觉的多样性之后,就会发现色盲这个概念其实有点不合适。蜜蜂它不能感受到红色的热烈,我们人类不能感受到紫外的那种可能是魔幻的样子,所以谁都别嫌弃谁。

在天敌的眼睛里,这个紫堇的伪装它到底是怎样的呢,效果如何呢?我们测量了叶片和岩石的反射光谱曲线,然后又获得了蝶类的色觉模型和它的色彩感受曲线,经过计算我们发现,叶片和岩石之间的色彩相似性非常高。也就是说,即使在蝶类看来这个紫堇它也是伪装得非常完美。它是伪装了,但如果天敌不买账呢?我相信大家可能都有过那种感受,就是你寻着味儿,就能找到厕所,我们人类是视觉动物,他照样可以用嗅觉来解决一些问题。蝴蝶它有没有可能通过嗅觉就找到紫堇呢,这样的话,还伪装什么呢?要检验这个问题其实有点难,我需要一些看起来很像,但闻起来又不像的假紫堇,去看看它们能不能引起绢蝶的注意。这种东西上哪儿找呢?我想起了社会主义的淘宝,然后我就发现有卖假花的,有卖假树枝的,假叶子的,没有卖我这种东西的,它太小众了,定制也不行,我这个量太小人家不做。最后我选择了一个非常简单、经济的方法——打印。不是3D打印,就是打印在纸上,然后剪下来,把它带到野外。大概就是这个效果,挺简陋的对吧,但是它起作用了。就是有那么笨的绢蝶母亲会把它当真,在它附近产卵,在这里。所以现在我们可以比较负责任地说,这个视觉线索在绢蝶寻找寄主的过程当中,起到了非常重要的作用。

当初我们发现这个伪装现象的时候,国内的科普媒体发布了我们的一张照片,然后不少网友感兴趣,其中有一条留言是这样的,他说:你这个颜色不科学,它怎么进行光合作用呢?这也是我非常关心的问题,你看这个动物千奇百怪的颜色,但是人家不需要光合作用啊,它们这方面的限制就很少。如何检验这个问题呢,还有点难,因为你得找到一个合适的参照做比较。非常幸运,我们找到了一些叶色二态的群体,在这些群体当中,你可以找到两类个体,有伪装色形的个体,还有绿色的个体,它们都长在一起,这为我们开展比较研究提供了很多方便。结果我们发现,无论是净光合速率,还是最大的光合潜能,两者的表现都不相上下,这就是说,伪装实际上并没有影响植物的光合效率,但它为什么长成这副样子呢?实际上只是说,比绿色个体在表面上多了很多花青素,这些花青素本身是红色的。但是它们一旦和绿色的那些细胞镶嵌拼贴在一起之后,在宏观上看起来,我们就觉得它是伪装色。非绿色的绿色植物有很多,我们身边就有。小区和大街上栽培的红叶桃、紫叶李,都是非绿色的植物,它们也都活得好好的。

最关键的一个问题,伪装到底起没起作用呢?我们在野外设置了很多样方,长期监测,然后看看哪些个体被啃食的更厉害,结果我们发现,与绿色个体相比这些伪装色形的个体,它们的生存概率确实要更高一些。伪装既然这么好,我们还能不能找到其它的伪装植物呢?同样在我们的西南山地,绢毛苣,毛茛还有贝母属的植物,它们这些植物亲缘关系非常远,但是为了适应相似的这种流石滩的环境,都表现出了相似的伪装的样子,我们把这种现象叫做趋同进化。我们的经济社会,也有趋同进化的例子。比如大家从名字就可以看出这样的相似的格局。还有一个跟这相反的过程,就是同一个东西为了适应不同的环境,彼此变得各不相同。还是肯德基的例子,它为了适应世界各地不同的口味,发展出了很多稀奇古怪的新菜品。自然界也是一样,形成高山流石滩的这些岩石,它的色彩各不相同,有的是灰白色的,有的是青灰色的,还有这种棕褐色的。植物不大可能通过一种伪装,来适应所有的环境。我们就有一个猜测,在不同颜色的流石滩上,紫堇的颜色可能是不一样的。我曾经见过这种灰白色的个体,长在灰白色的流石滩上;也见过这种青灰色的个体,长在差不多是青灰色的流石滩上;当然我还远远地见过这种棕红色的流石滩,但是我不能确定那上面有没有紫堇,如果有紫堇的话,我猜它有可能是棕红色的。但是我从来没有见过这种棕红色的植物,所以心里边挺犯嘀咕的,在几经辗转之后,我爬上了这座4500米的流石滩,最后见到了这幅画面,,因为我知道这绝对不是一个巧合,植物为了适应不同的环境,它们演化出了不同的色彩。

咱们国家的一位著名生态学家曾经说过:植物永远落后于动物学研究,除了在一个领域,这就是光合作用。这话绝对没错,我在5 、6年前非常激动,关于伪装之类的生物防御色彩的研究,还仅仅局限在动物当中。但是我们现在知道了植物也不笨,它们也在用相似的策略,来生息繁衍,而且植物不会动,它们面临的生存挑战,跟动物可能有很大不同。因此我们应该有更多的兴趣去研究它们,但不论我们研究的是什么东西,我们都要从自然本身的角度去考虑它,而不是仅仅站在人类的立场上。

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