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綠絨蒿、雪兔子、龍膽……為什么高山上花朵更迷人？

2020-11-09 08:08

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

原創(chuàng) 顧有容我是科學(xué)家iScientist 收錄于話題#我是科學(xué)家 · 演講合集100個

墊狀植物的生長速度非常慢，每年直徑只能增加一厘米左右。所以如果我們在高山上看到一個直徑一米的墊狀植物，它可能長了上百年時間。

高山上傳粉昆蟲是一種很稀缺的資源，馬先蒿可以在同一只熊蜂身上的不同位置來劃分自己的勢力范圍，同時還實現(xiàn)了生殖隔離，這是一件非常有意思的事情。

2020年6月13日，“我是科學(xué)家”第21期演講現(xiàn)場，首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院副教授、中國科普作家協(xié)會會員、中國野生植物保護協(xié)會理事顧有容帶來演講：《綠絨蒿、雪兔子、龍膽……為什么高山上花朵更迷人？》。

顧有容演講視頻：

以下為顧有容演講實錄：

大家好，我是植物人顧有容。

我是一個研究高山植物的人。所謂高山，一般指海拔超過3000米的山。因為有青藏高原的存在，中國可能有1/4的國土面積都處于這個海拔甚至更高，所占面積非常大。

這些地方的植物給人最直接的印象就是：花都特別美。

為什么這些長出這么漂亮的花來？這是我今天想跟大家分享的故事。

這種植物叫做光葉玉蘭，也叫康定木蘭，是中國特有的一種木蘭科珍稀瀕危植物。它的分布區(qū)域很狹窄，就在貢嘎山周圍一小片地方，野外個體數(shù)量不到2000株。

2012年，山水自然保護中心發(fā)起了一次“康定木蘭野外回歸”活動，發(fā)動一些喜歡植物、也愿意為植物保護貢獻力量的人，去把人工繁育的康定木蘭幼苗栽回它的野外生境，來擴大它的野生種。

在這次活動里，我第一次見到了我媳婦桔子。我們當(dāng)年一起栽的那些康定木蘭，今年已經(jīng)開花了。

為什么我有機會去參加這種能夠撿到媳婦的活動呢？因為我是一個研究高山植物的人，所以一個在雖然不是那么高的山上進行的植物公益活動會請我去當(dāng)科學(xué)顧問。

我正經(jīng)的工作環(huán)境是什么樣的？大家可以看一下——

這是一個海拔3000米左右的高山濕地。從下往上，我們可以看到湖泊干涸之后形成的沼澤，然后是一些針葉林，再往上能夠看到一些風(fēng)化的山體。

這是青藏高原高原面上的景象，看起來像Windows桌面。這就是我們工作的日常環(huán)境，因為高原其實是海拔很高的平原，地勢本身非常平緩；但是往遠處，你能夠看到一些比較高的山。這張照片里面，遠處的那個山就是巴顏喀拉山脈東段的主峰年保玉則，最高海拔在5600米左右。

這是四川省的第二高峰四姑娘山，它的主峰海拔是6250米——當(dāng)然我不會爬到那么高的地方。這個山的難度很高，我只能爬到5200~5300米的樣子，而且再高的地方也沒有植物了。

在這張照片里，我們可以看到由高山灌叢，到高山草甸，再到高山流石灘和冰緣帶的環(huán)境過渡。越高的地方，溫度就越低，風(fēng)就越大，對植物來說就越嚴酷——這些地方的植物往往會演化出一些非常特別的性狀來適應(yīng)環(huán)境。

這是的工作狀態(tài)。因為我研究的對象都是草本植物，所以我平時不管是拍照、采標本，還是做野外實驗，都是趴在地上干活的。

說起來有一段辛酸的往事。

我讀博士的時候研究的是木本植物，大概二三十米高的喬木。如果要做傳粉實驗，就得專門去搭一個腳手架，特別辛苦。所以畢業(yè)后，我就打死都不做喬木，改研究草本植物了。

當(dāng)然，也和高原上的植物確實長不高有一定的關(guān)系。我們經(jīng)常開玩笑說，當(dāng)?shù)氐哪颈局参镩L不大，森林只有50厘米高——實際上是高山灌叢，不是森林。

我來北京之后的幾年，如果需要做野外工作，而桔子又有假期，我們倆就會一塊去野外。

桔子是我認識的體能最好的人之一，這張照片是她最后一次陪我出野外時拍的。大家能看出來，這個人已經(jīng)懷孕7個月了嗎？

當(dāng)時她跟我一塊去跑四川的甘孜州和云南的迪慶州做采集，這張照片是在九龍縣的雞丑山上面，我們從海拔4300米一直爬到山頂，山頂海拔大概4600米。但這之后她就再也沒有跟我一塊出野外了，因為我們的孩子出生了，之后就完全把這個媽媽給黏住了。我有點郁悶，因為很多野外的好玩事情，沒法第一時間跟桔子分享了。

但沒關(guān)系，我自己一個人出野外也挺樂呵的。

大家來到高山上的時候，往往會被植物的美感所吸引。普通人的第一觀感往往是：這些花怎么那么大，顏色怎么那么鮮艷，為什么能夠一開就開那么大一片？

但這些東西對我來說都是科學(xué)問題。高山上植物的這些美感，實際上是適應(yīng)特殊生境所演化出來的一些性狀。它們是如何演化出來的？它們是如何和環(huán)境之間發(fā)生相互作用的？這就是我需要去探討的一些問題。

比如，高山上植物主流的顏色是藍紫色，要么是藍色，要么是紫色，我這兒專門貼出來這幾張。

為什么高山上藍紫色花的比例比平地上要大得多呢？

因為高海拔是一個紫外線較強的環(huán)境，植物需要在花里面去積累更多的花青素來抵御紫外線，所以就產(chǎn)生了很多藍紫色的花。

尤其是綠絨蒿屬植物，它們有天藍色的花，別稱叫藍罌粟。是一種非常美的花，只能在高山上看到，其他地方?jīng)]有這么正的藍色。

還有更夸張的，紫色深到接近黑色的花。平地上要培育出這種接近黑色的花很難，要專門花很多年時間去做雜交選育，才能夠栽培出比如說黑玫瑰、黑牡丹或者黑郁金香——但高山上它自己就能產(chǎn)生。

而且，同一個物種隨海拔逐漸升高，花的顏色可能會越來越深。這很好理解，就是我剛才說的理由，它需要積累大量花青素來抵御紫外線的侵襲。所以我們在海拔4500米~5000米之間的地方，就能夠見到這類深紫色到接近黑色的花，包括報春，貝母，還有很多菊科植物，它們的顏色都特別深。這是自然產(chǎn)生的現(xiàn)象，沒有人在里面干預(yù)。

在高山上看到的植物還有一個特性：很多植物在開花的時候，花占植物體的部分比葉或莖要多很多。

比如這一棵擬秀麗綠絨蒿，它是生活在高山流石灘上的一種植物，你看它一個植株能夠開十幾朵花，每朵花的直徑都可能有七八厘米，比它下面葉子占的地方多多了。

為什么會形成這樣的性狀呢？

高山上，傳粉昆蟲是一種比較稀缺的資源，每種植物都希望能夠開出盡可能多的花來吸引昆蟲的注意力。但開花對植物本身是一個特別大的負擔(dān)，所以它沒法每年都開出這么多的花來。

像上圖的擬秀麗綠絨蒿，它是一種多年生一次開花的植物，它之前幾年每年都只長葉子，然后把光合作用積累的能量儲存在貯藏根里，就像底下一個小蘿卜一樣。存了幾年，終于存夠了，就在最后一年爆發(fā)式地開出好多特別大的花來，種子成熟后，整個植株就枯死了。

所以，這實際上是高山植物為了實現(xiàn)自己繁殖的目的，去高效調(diào)配資源進行分配的一種方式。

既然長葉子和開花都是非常不容易的事情，那么如果被食草動物吃掉就特別可惜。有一些植物在營養(yǎng)期（只長葉子的時期），它會把葉子的顏色長得跟石頭一樣，這樣的話，那些食草動物可能會發(fā)現(xiàn)不了它，也就沒法去吃它了。

另外還有一個更簡單粗暴的方式，就是渾身長出刺來，可以防止比較大型的食草動物（比如牛羊或鼠兔之類的哺乳動物）去吃它的葉子。

多刺綠絨蒿就是一個典型例子，渾身都長滿了硬刺。它拉丁學(xué)名的種加詞horridula是可怕的意思，確實很可怕。雖然花很好看，但你摸上去一定會扎手。

植物在高山上需要應(yīng)對的惡劣環(huán)境還有低溫和大風(fēng)，有的植物會渾身長出很多毛，就像穿了一件毛衣或一條毛褲一樣，用這些毛來抵御寒風(fēng)的侵襲。

水母雪兔子是一種非常可愛的高山植物，它也長在流石灘上，它渾身都有那種很長的細密的棉毛，就像一個小兔子蹲在那里，當(dāng)然你不仔細找的話可能會發(fā)現(xiàn)不了它。如果你把手指頭伸到它這一叢毛中間去，你會發(fā)現(xiàn)里面真的就特別暖和，就像把手塞進一個毛手套里面一樣。但是開花的時候，花就不能隱藏在毛褲里面了——得把花露出來，才能吸引到傳粉昆蟲來幫助傳粉。

圖中這棵雪兔子正在開花，它頂端這些紫黑色的部分就是它的花。它還嫌顏色不夠顯眼，還會散發(fā)出比較濃烈的類似肉桂的香氣，通過這個來吸引高山上的熊蜂訪問它的花，幫它授粉。

還有一些植物索性就把整個植株長成了一個厚厚的墊子，我們把它叫做墊狀植物。墊狀植物實際上包含了很多種類，但它們的植株形態(tài)都差不多。

這張照片里除了墊狀的點地梅外，還有一顆云狀雪兔子，也是一個靠毛多來抵御低溫的植物

比如這個高原點地梅，它的墊子是由很多條縮短而且密集地擠在一起的莖形成的。莖的表面是一些能進行光合作用的葉子，墊子內(nèi)部有很多腐爛了的往年葉子，所以有保溫的作用。如果你去拿溫度計測，會發(fā)現(xiàn)墊子內(nèi)部的溫度，可能會比外面的環(huán)境溫度高出10度之多。

除了保溫，墊子里面還有很多腐殖質(zhì)。其它植物的種子如果掉到墊子里，萌發(fā)后就能夠靠腐殖質(zhì)活下來。所以，墊狀植物能夠給其它植物提供庇護。在高山這種特別貧瘠的環(huán)境里，它是一種先鋒物種，能自己建立起一個小小的植物群落，非常有意思。但墊狀植物的生長速度非常慢，每年直徑只能增加一厘米左右。所以如果我們在高山上看到一個直徑一米的墊狀植物，它可能長了上百年時間，非常不容易。

除了被動防御低溫，有些植物還能主動利用太陽能來提高自己某一個部位的溫度。這是一項我們已經(jīng)做了好幾年的研究。有些花會形成一個太陽灶的結(jié)構(gòu)，通過花瓣把陽光反射到雌蕊群附近，讓它雌蕊的溫度升高。我們用熱成像儀和光學(xué)照相機來分別拍攝，圖中左邊兩幅是熱成像儀下面的影像，右邊兩幅是光學(xué)下的影像。在左邊的熱力圖里，我們可以看到雌蕊附近的溫度確實比花瓣以及周圍環(huán)境高很多。在陽光特別強烈的時候，溫差甚至有15度之多。

這樣的高溫有什么用？

可以保證雌蕊里面的授粉過程快速且高效地完成。授粉后，在有加溫的條件下，花粉管生長的速度比不加溫的快好幾倍，最后結(jié)出種子的數(shù)量和質(zhì)量也更高。

研究之外，我這兩年的新歡是馬先蒿屬，是一個很特別的植物類型。大概全世界有600種以上馬先蒿屬植物，2/3都在中國的青藏高原地區(qū)有分布。它是一類半寄生植物種子剛萌發(fā)的時候，它是寄生在其他植物的根上，但長大后，它就可以自己通過葉子來進行光合作用，同時開出很漂亮的花。

馬先蒿屬植物的花很特別，是一個“二唇形”的花冠。整個花冠裂成五片，上唇有兩片，下唇有三片。上唇的兩片會首先對折在一起，把雄蕊包裹在里面，然后會向前伸出，形成一個特別細長、有時候很扭曲的一個所謂的“喙”，就像鳥嘴一樣，把雌蕊的柱頭固定在喙的先端位置。不同種類的馬先蒿，它盔的形狀和喙的長短差異非常大。我本身就是一個性格比較“扭曲”的人，所以特別喜歡這種長得非常扭曲的花，覺得扭來扭去非常好玩。

但扭曲的特性并不只是好玩。每一種馬先蒿，它喙的扭曲方式都是特定的，雄蕊和雌蕊固定的位置也不一樣。

這有什么用呢？

如果同一個區(qū)域里有不同種類的馬先蒿分布，它們就可以利用在區(qū)域里面活動的同一種傳粉昆蟲。比如，一種植物它可能用熊蜂腦袋的左半邊傳粉，另外一種可能用熊蜂屁股的右半邊來傳粉。本身高山上傳粉昆蟲是一種很稀缺的資源，這些馬先蒿可以在同一只熊蜂身上的不同位置來劃分自己的勢力范圍，同時還實現(xiàn)了生殖隔離，這是一件非常有意思的事情。

我們在馬先蒿屬植物身上，可以見到盔和喙的長度和形狀往不同方向演化的例子，而這個演化的過程本身也非常吸引人。青藏高原的植物多樣性調(diào)查還非常缺乏，所以肯定有很多沒有被發(fā)現(xiàn)的馬先蒿屬物種。發(fā)現(xiàn)這些新物種的過程，以及了解它們花特殊的形態(tài)和傳粉者之間的相互適應(yīng)機制，是一件非常有意思的事情。我這兩年在做我自己的主業(yè)之余，會捎帶著去關(guān)注一下這件事情。我認為這個屬非常好玩，大家有興趣可以去了解一下。

我的研究是植物在極端環(huán)境下會發(fā)生的適應(yīng)機制，高山本身是具有這樣特性的極端環(huán)境。那么，如果換成一個更加極端的環(huán)境，或者地球上本身不存在的環(huán)境，植物可能會演化成什么樣呢？

我最近參與策劃了一個科學(xué)藝術(shù)展覽，叫“星際花園”，就是通過一些科學(xué)的道理來推測：外星上的植物可能會長成什么樣。這是一個大開腦洞的事情，我們需要去設(shè)想外星上可能會有的環(huán)境，然后去想象在這個環(huán)境下植物有可能會變成什么樣子。

比如說，一個表面完全被海洋覆蓋的星球，它沒有陸地，也沒有能在空中飛的傳粉動物，那這個星球上的光合生物它有可能會長成什么樣呢？其中一個設(shè)計是這樣的——

這種植物有漂在海面上的部分，還有更多垂到水下。它可以通過水上聚光的結(jié)構(gòu)，把來自它那個星系的太陽光給聚集到下面一些類似輸導(dǎo)組織的構(gòu)造里面，輸導(dǎo)組織里有一些像光纖的結(jié)構(gòu)，可以把光線導(dǎo)到很深很暗的海水里。

這樣，看起來就像是垂下來根的末端（姑且認為它是根吧）在深暗的海水里面發(fā)亮，就可以吸引水里面的一些生物，比如說當(dāng)?shù)氐聂~或者別的水生動物來觸碰這些地方。植物的繁殖器官正好長在這些位置，在這個過程中就有可能實現(xiàn)傳粉。

實際上，這個設(shè)想是把在地球上開花的植物通過顏色、氣味等等一些信號來吸引傳媒者的特性，給搬到了一個完全是水的環(huán)境里面。它背后的科學(xué)原理是通用的，只不過我們給它設(shè)想了一個更加奇怪的環(huán)境而已。這一個系列我們策劃了十幾種植物，很快就要開展了，到時候也歡迎大家關(guān)注，看看我們到底開出了怎么樣的腦洞。

除了開腦洞之外，我出野外的步伐也不會停滯下來。而且我也在不斷嘗試，希望把我全家，包括桔子老師還有我們孩子都一塊帶到野外去。我希望孩子們從小就開始接觸這些高山上特殊的生命形態(tài)，拓展她們的視野。