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植物化身“变色龙” 是人类“逼”出来的吗

来源:科技日报

作者:

2020-12-09 10:16:12

我国传统药用植物贝母,被人类利用已超2000年历史。为逃避人类对其采集,它们将自身色彩融入背景,伪装起来让人难以发现——

植物化身“变色龙” 是人类“逼”出来的吗

梭砂贝母体色会逐渐改变,与周围灰褐色石头“浑然一体”。受访者供图

在你死我活的生存竞争中,动物进化出了伪装本领。那么植物会不会伪装?什么情况下会伪装?

在150年前,科学家关于植物利用伪装躲避天敌的猜测就已经零星出现,但一直没有获得严格的实验证实。达尔文进化论观点的来源——“自然选择”理论提出者,英国博物学家,探险家和生物学家华莱士,曾认为植物几乎不会“隐藏自己的需求”。

但近年来,随着色彩测量技术,动物感官和其他相关领域的研究不断取得进展,人们重新燃起了对生物色彩这一经典进化生物学话题的热情。在动物研究之外,科学家们发现的不少证据显示,植物也可能利用各种伪装策略来防御天敌。

植物伪装为“骗”谁?

可能是应对食草动物的防御策略;也可能是对人类采挖行为的强烈反应

“我们对生物色彩在防御功能方面的认识几乎都来自动物,被写入教科书的经典概念如伪装,警戒,拟态等,几乎都以动物为案例。不过,近年来越来越多的证据表明,这些令人着迷的概念并不是动物的专利。”中国科学院昆明植物研究所研究员孙航说。

在动物界,桦尺蛾的体色是教科书式的案例。在英国潮湿的树林里,到处覆盖着灰白色的地衣,灰白色型桦尺蛾个体在这样的环境中伪装得很好,因此数量比深色型个体更多。但工业革命时期,它们栖息的环境被黑色的烟尘遮盖,深色的个体因而获得了更好的伪装,数量也因此逆转。

就植物来说,最为人熟知的伪装者是长得像极了石头的“石生花”。在我国青藏高原,也有不少植物伪装的案例,如孙航团队曾研究过的囊距紫堇,半荷包紫堇,以及绢毛苣等。世界其他地方也有案例,比如新西兰的矛木,北美的香晶兰等。

从2012年起,孙航和中国科学院昆明植物研究所牛洋博士在做青藏高原-喜马拉雅植物多样性形成与演变研究时,开始关注伪装植物。“我们从高山上的紫堇属植物着手研究,注意到很多当地人采挖贝母,有时甚至会向我们推销刚采挖的鳞茎。当然,我们也注意到梭砂贝母的伪装和叶色变异。”牛洋向科技日报记者介绍。

全球共有100多种贝母属植物,其中梭砂贝母生长在我国滇西北,以及川西,青海南部和西藏拉萨至亚东一线海拔3800至5000米的高山流石滩沙石地或岩石缝隙中。它的鳞茎含植物碱贝母素丁,是药材贝母的来源。

“在一些群体中,梭砂贝母呈现常见的绿色,而在另一些群体中,它们则与背景融为一体,大多显出灰褐色,非常隐蔽。”牛洋博士介绍,他们起初推测,与囊距紫堇相似,这种伪装可能也是在应对食草动物的防御策略。但在多地经过长达数年的观察,他们并没有发现动物取食梭砂贝母的明显证据。

“由于体内富含生物碱,贝母属植物具有很强的化学防御,在一定程度上抵御了动物取食,那梭砂贝母为何要伪装?这让我们很困惑。”牛洋说,后来,他们才意识到,梭砂贝母的地下鳞茎长期遭到大量采挖,而这种采挖本身,有可能产生强烈的选择压力。这也意味着梭砂贝母的伪装,可能与人类有关!

伪装植物竟有“智能”?

药用植物会将自身色彩融入背景,让采挖者难以发现

为了进一步搞清这一猜想,研究团队作了更深入的研究,他们比较了动植物伪装策略进化的差异,推测了影响植物伪装进化的要素,这不仅是一个惹人着迷的话题,更关系到人类与植物未来的关系和命运。

“作为一味常用的中药材,人类利用贝母已经有2000年的历史,当代大规模采挖的历史超过80年。”牛洋说,为了评估每个群体遭受的采挖强度,他们从川滇一带基层药商那里得到了过去6年间梭砂贝母干品总量数据,并估算出每个群体单粒贝母鳞茎的干重。他们惊讶地发现,要获得一千克干燥鳞茎,意味着要挖掉3000株以上的贝母。这样的选择压力非同小可。

牛洋说,通过样方统计和分布面积评估,他们得到潜在贝母产量,从而获得了每个群体的采挖强度。与此同时,他们发现采集强度越大的地方,贝母伪装也越好。

紧接着贝母色彩之谜的研究又摆到了眼前。牛洋与同事再次来到高山流石滩,采集每个群体的反射光谱数据,又根据专为人类设计的CIELAB色觉模型,量化植物与砾石的光谱,算出在群体之间梭砂贝母体色确实有显著差异。利用这一模型,他们还计算出贝母与生境岩石背景的匹配程度,来为伪装程度提供衡量的指标。

“背景匹配是利用自身色彩融入背景,让采挖者难以发现,实现伪装。”孙航说,考虑到采挖压力可能在较长历史内有变化,他们还评估了伪装程度与采挖难度的关系。

因落脚地方不同,有的鳞茎采挖只需几十秒;有的长在数十厘米深处的石缝中,挖一颗需要数分钟甚至更长时间,从价值和时间成本计,采挖者往往会放弃,遭受的采挖压力也较小。从实际经验看,越是难以采集的群体,植株伪装越好,与周围灰褐色的石头“浑然一体”;越是容易采挖的植株,越会“大模大样”地保持通体透绿的本色。

伪装本领因人类活动在进化?

再高明伪装也难以躲过人眼;植物体色细节之谜,还需深入探究

梭砂贝母的体色与生存有显著的相关性,伪装增加了它们的生存概率。然而,“变色”的过程,仍有诸多有趣的自然之谜。

光,眼,物三者之间的关系,影响着人类对色彩的识别。伪装色由花青素和叶绿素共同造成,色素变异相对简单,但不同群居的梭砂贝母,如何细微调整色素的比例,保持足以乱真的色调,仍有待探究。

而伪装植物多个色型在光合作用以及对昆虫等传粉者的吸引力上却没有显著差别,但在非光合色素合成等资源消耗成本,以及不同背景下不同功能间干扰的光合效率和设计成本究竟有哪些变化,对研究植物的选择进化来说,还值得去细究。

虽然梭砂贝母已足够“聪明”,但在利益的驱使下,再高明的伪装也难躲过人眼的高强度搜索。通过模拟发现,拥有三色视觉的人类,搜寻目标的速度要比二色视觉的动物更胜一筹。

“此外,植物的根基不能移动,这意味着即使拥有伪装,与动物相比其防御效果也要大打折扣,因为天敌将有更多机会通过其他线索和反复学习来定位这些不能动的目标。”牛洋介绍,动物主动选择最佳的藏身地点这样的本领,也难以被植物掌握。

这些研究表明,人类正在以自己都无法预见的活动方式影响野生生物的进化。至于人类还在其他哪些领域影响环境,仍有待探索。(本报记者 赵汉斌)

【编辑:陈海峰】

[责任编辑:杨凡,武云泉]

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