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植物化身“變色龍” 是人類“逼”出來的嗎

來源:科技日報

作者:

2020-12-09 10:16:12

我國傳統藥用植物貝母,被人類利用已超2000年曆史。為逃避人類對其採集,它們將自身色彩融入背景,偽裝起來讓人難以發現——

植物化身“變色龍” 是人類“逼”出來的嗎

梭砂貝母體色會逐漸改變,與周圍灰褐色石頭“渾然一體”。受訪者供圖

在你死我活的生存競爭中,動物進化出了偽裝本領。那麼植物會不會偽裝?什麼情況下會偽裝?

在150年前,科學家關於植物利用偽裝躲避天敵的猜測就已經零星出現,但一直沒有獲得嚴格的實驗證實。達爾文進化論觀點的來源——“自然選擇”理論提出者、英國博物學家、探險家和生物學家華萊士,曾認為植物幾乎不會“隱藏自己的需求”。

但近年來,隨着色彩測量技術、動物感官和其他相關領域的研究不斷取得進展,人們重新燃起了對生物色彩這一經典進化生物學話題的熱情。在動物研究之外,科學家們發現的不少證據顯示,植物也可能利用各種偽裝策略來防禦天敵。

植物偽裝為“騙”誰?

可能是應對食草動物的防禦策略;也可能是對人類採挖行為的強烈反應

“我們對生物色彩在防禦功能方面的認識幾乎都來自動物,被寫入教科書的經典概念如偽裝、警戒、擬態等,幾乎都以動物為案例。不過,近年來越來越多的證據表明,這些令人着迷的概念並不是動物的專利。”中國科學院昆明植物研究所研究員孫航説。

在動物界,樺尺蛾的體色是教科書式的案例。在英國潮濕的樹林裏,到處覆蓋着灰白色的地衣,灰白色型樺尺蛾個體在這樣的環境中偽裝得很好,因此數量比深色型個體更多。但工業革命時期,它們棲息的環境被黑色的煙塵遮蓋,深色的個體因而獲得了更好的偽裝,數量也因此逆轉。

就植物來説,最為人熟知的偽裝者是長得像極了石頭的“石生花”。在我國青藏高原,也有不少植物偽裝的案例,如孫航團隊曾研究過的囊距紫堇、半荷包紫堇,以及絹毛苣等。世界其他地方也有案例,比如新西蘭的矛木、北美的香晶蘭等。

從2012年起,孫航和中國科學院昆明植物研究所牛洋博士在做青藏高原-喜馬拉雅植物多樣性形成與演變研究時,開始關注偽裝植物。“我們從高山上的紫堇屬植物着手研究,注意到很多當地人採挖貝母,有時甚至會向我們推銷剛採挖的鱗莖。當然,我們也注意到梭砂貝母的偽裝和葉色變異。”牛洋向科技日報記者介紹。

全球共有100多種貝母屬植物,其中梭砂貝母生長在我國滇西北,以及川西、青海南部和西藏拉薩至亞東一線海拔3800至5000米的高山流石灘沙石地或岩石縫隙中。它的鱗莖含植物鹼貝母素丁,是藥材貝母的來源。

“在一些羣體中,梭砂貝母呈現常見的綠色,而在另一些羣體中,它們則與背景融為一體,大多顯出灰褐色,非常隱蔽。”牛洋博士介紹,他們起初推測,與囊距紫堇相似,這種偽裝可能也是在應對食草動物的防禦策略。但在多地經過長達數年的觀察,他們並沒有發現動物取食梭砂貝母的明顯證據。

“由於體內富含生物鹼,貝母屬植物具有很強的化學防禦,在一定程度上抵禦了動物取食,那梭砂貝母為何要偽裝?這讓我們很困惑。”牛洋説,後來,他們才意識到,梭砂貝母的地下鱗莖長期遭到大量採挖,而這種採挖本身,有可能產生強烈的選擇壓力。這也意味着梭砂貝母的偽裝,可能與人類有關!

偽裝植物竟有“智能”?

藥用植物會將自身色彩融入背景,讓採挖者難以發現

為了進一步搞清這一猜想,研究團隊作了更深入的研究,他們比較了動植物偽裝策略進化的差異、推測了影響植物偽裝進化的要素,這不僅是一個惹人着迷的話題,更關係到人類與植物未來的關係和命運。

“作為一味常用的中藥材,人類利用貝母已經有2000年的歷史,當代大規模採挖的歷史超過80年。”牛洋説,為了評估每個羣體遭受的採挖強度,他們從川滇一帶基層藥商那裏得到了過去6年間梭砂貝母幹品總量數據,並估算出每個羣體單粒貝母鱗莖的乾重。他們驚訝地發現,要獲得一千克乾燥鱗莖,意味着要挖掉3000株以上的貝母。這樣的選擇壓力非同小可。

牛洋説,通過樣方統計和分佈面積評估,他們得到潛在貝母產量,從而獲得了每個羣體的採挖強度。與此同時,他們發現採集強度越大的地方,貝母偽裝也越好。

緊接着貝母色彩之謎的研究又擺到了眼前。牛洋與同事再次來到高山流石灘,採集每個羣體的反射光譜數據,又根據專為人類設計的CIELAB色覺模型,量化植物與礫石的光譜,算出在羣體之間梭砂貝母體色確實有顯著差異。利用這一模型,他們還計算出貝母與生境岩石背景的匹配程度,來為偽裝程度提供衡量的指標。

“背景匹配是利用自身色彩融入背景,讓採挖者難以發現,實現偽裝。”孫航説,考慮到採挖壓力可能在較長曆史內有變化,他們還評估了偽裝程度與採挖難度的關係。

因落腳地方不同,有的鱗莖採挖只需幾十秒;有的長在數十釐米深處的石縫中,挖一顆需要數分鐘甚至更長時間,從價值和時間成本計,採挖者往往會放棄,遭受的採挖壓力也較小。從實際經驗看,越是難以採集的羣體,植株偽裝越好,與周圍灰褐色的石頭“渾然一體”;越是容易採挖的植株,越會“大模大樣”地保持通體透綠的本色。

偽裝本領因人類活動在進化?

再高明偽裝也難以躲過人眼;植物體色細節之謎,還需深入探究

梭砂貝母的體色與生存有顯著的相關性,偽裝增加了它們的生存概率。然而,“變色”的過程,仍有諸多有趣的自然之謎。

光、眼、物三者之間的關係,影響着人類對色彩的識別。偽裝色由花青素和葉綠素共同造成,色素變異相對簡單,但不同羣居的梭砂貝母,如何細微調整色素的比例,保持足以亂真的色調,仍有待探究。

而偽裝植物多個色型在光合作用以及對昆蟲等傳粉者的吸引力上卻沒有顯著差別,但在非光合色素合成等資源消耗成本,以及不同背景下不同功能間干擾的光合效率和設計成本究竟有哪些變化,對研究植物的選擇進化來説,還值得去細究。

雖然梭砂貝母已足夠“聰明”,但在利益的驅使下,再高明的偽裝也難躲過人眼的高強度搜索。通過模擬發現,擁有三色視覺的人類,搜尋目標的速度要比二色視覺的動物更勝一籌。

“此外,植物的根基不能移動,這意味着即使擁有偽裝,與動物相比其防禦效果也要大打折扣,因為天敵將有更多機會通過其他線索和反覆學習來定位這些不能動的目標。”牛洋介紹,動物主動選擇最佳的藏身地點這樣的本領,也難以被植物掌握。

這些研究表明,人類正在以自己都無法預見的活動方式影響野生生物的進化。至於人類還在其他哪些領域影響環境,仍有待探索。(本報記者 趙漢斌)

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[責任編輯:楊凡、武雲泉]

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