科学家解开了关于植物如何在土地上扎根的 100 年之谜

由耶鲁大学研究人员领导的一组科学家认为，他们终于弄清楚了为什么陆生植物会进化出如此复杂的血管系统——这个谜团已经存在了大约一个世纪。当陆生植物在大约 5 亿年前首次出现时，它们的维管系统非常简单。它们的根和茎的内部看起来有点像一捆捆稻草，可以从周围环境中吸收水分和养分。然而，大约在 4.2 亿年前，这个简单的吸水系统发生了重大变化，逐渐将“吸管”分裂成更复杂的形状、结构和大小。在将近 100 年的时间里，科学家们不知道为什么进化有利于这些更复杂的内部结构，但对化石记录的新分析表明，更现代的血管系统具有更强的耐旱性。作者总结说，缺水可能是首先塑造植物内部结构的原因。地球上最早的陆生植物是小型、简单的苔藓状植物。它们没有根系，这意味着它们只能生长在水源充足的地区。随着植物开始向内陆更远的干旱地区移动，它们需要新的方法来捕获水、阳光和养分，同时保护自己免受蒸发和脱水。这就是分支和根派上用场的地方。然而，与此同时，这些结构也带来了新的挑战。在干旱期间，植物很容易变干，产生水汽气泡，有点像栓塞，阻止水从根部向上流动。在一个简单原始的血管系统中，植物内部的气泡可以很容易地扩散到其他通道或“吸管”，从而阻止进一步的水和养分。结果会引发组织死亡，甚至可能杀死整株植物。研究人员对一些现代和已灭绝植物的各种血管系统进行建模，现已表明，更精细的血管模式可以隔离气泡。当构成植物维管系统的吸管被分成不同的模式时，模拟表明气泡可以扩散到的邻居更少下面的动画说明了栓塞在简单、原始植物的脉管系统中传播与更复杂的现代植物之间的区别。栓塞在两个植物茎横截面的通道之间扩散的示意性动画。左边的茎代表一种原始植物，其简单的构造使栓塞很容易扩散。右边的结构更复杂，因此栓塞造成的损害更小。（Martin Bouda/捷克科学院） 这些发现使研究人员得出结论，干旱是植物维管系统的“理论上合理”的选择压力。耶鲁大学环境学院的植物生理学家 Craig Brodersen 解释说：“每当植物偏离圆柱形维管系统时，只要它发生一点变化，植物就会在干旱中的生存能力方面得到奖励。” “如果这种奖励一直存在，那么它将迫使植物远离古老的圆柱形维管系统，朝着这些更复杂的形式发展 “通过做出这些非常小的改变，植物解决了这个它们必须在地球历史早期就解决的问题，否则我们今天看到的森林就不会存在。” 这些发现不仅揭示了地球过去有趣的方面，而且还有助于解释当今现代植物中所见的大量维管形式是如何形成的，并说明了未来的解决方案。Cheilanthes lanosa 叶的横截面，也称为毛唇蕨，显示木质部中的心形维管系统。（克雷格布罗德森实验室） 这种对植物如何应对干旱的新认识有朝一日可以帮助研究人员为即将到来的快速气候变化准备重要的植物群。如果专家们能够弄清楚如何培育出更好的根系和维管系统，那么某些作物或许能够在未来很长一段时间内养活我们。该研究发表在《科学》杂志上。