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植物花朵的奇怪之處,從“小不點”到“巨人”

作者:宇宙小百科

在華麗的花朵背後,有一個殘酷的進化機制。

在崎岖的山路周圍,有奇怪的蘇鐵。它們似乎在山坡上搖搖欲墜地生長着。它們扭曲的樹幹,特殊鋸齒形狀的樹葉,還有橙色的果實,也許它就是最奇怪的樹了。

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蘇鐵,她是南非林波波省博羅博多部落(雨後)的世襲首領。這裡是世界上最繁榮的蘇鐵。據說他們受到雨後的魔法保護。無論是魔法還是其他東西,這些奇怪的植物最需要的是保護,以抵抗貪婪的捕食者的破壞。事實上,早在人類威脅它們的安全之前,蘇鐵就遇到了更嚴重的問題——這是一個數量級的挑戰。

你旅行到1.5億年前,你會看到地球上有奇數種大小和姿态各異的蘇鐵及其近親——針葉樹。這兩種植物是古裸子植物,起源于3.6億年前。裸子植物已經統治地球2.5億年了,但它們的輝煌統治早已結束。許多裸子植物物種已經滅絕,這些幸存者在植物生态系統中被嚴重邊緣化。針葉樹隻能在嚴酷的北方森林和一些邊緣栖息地占據主導地位,蘇鐵更是如此。

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裸子植物的衰落伴随着被子植物的驚人崛起,這是一種新的力量。

被子植物,也被稱為開花植物,是世界上最強大的植物群。它們為包括人類在内的無數生物提供食物和住所。

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它們是自然界中的“殖民者”,它們生命頑強品種多,被子植物大約有31萬種,而裸子植物隻有1000種。雖然開花植物的“資格”很淺,但它們從後面追趕;它出生在一個簡陋的環境中,在白垩紀(6500萬年前至1.45億年前)占據了世界上最大的面積。

被子植物讓科學家困擾了100多年,達爾文曾經也說過,它們是一個“煩惱的謎團”。近年來,植物學家的研究逐漸填補了許多空白。人們發現,植物的“朝代更替”并不像過去想象的那樣突然;然而,一旦改革程序開始,它将以閃電般的速度向前推進。

就在30年前,花卉化石很難找到。在此之前,人們預測原始的可以開花的植物大概生活在一億年前其中也有像木蘭花一樣的大型花(因為木蘭花是被子植物中最原始的)。所有這些想象在1981年結束。1981年,在瑞士阿森的一個粘土礦中首次發現了大量具有8300萬年曆史的花化石。這一發現揭示了花化石為何罕見的奧秘:它們的大小與木蘭大不相同。

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植物化石花的發現者,它的成功秘訣是在于它們的使用的方法。新方法篩選了大量的軟沉積物,最終出現了數千個儲存完好的小花化石。這時,無數人正在尋找的花化石出現在他們面前,數量非常巨大。這些隻有一到兩毫米的花是核桃、懸鈴木和虎耳草等植物的近親。在森林大火中,它們變成了木炭并被儲存下來。

受到這樣的啟發,其他的科學小組也開始研究比較小的花朵。世界各地都發現了許多小花化石,包括1.12億年前的花。

然而呢,這還不是最老的花朵的植物化石。月桂是一種池塘雜草,在1.25億年前盛開。1998年在中國東北易縣的沉積物中發現。義縣所在的熱河地區,曾經以恐龍羽毛化石聞名于科學界,但現在那裡的古植物化石已經不遜色。

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古老的月桂生長在池塘裡,它的花在水面上盛開。然而,你可能不會認出它們是花。因為古代的水果植物在當時還沒有進化,人們想到了花朵的華麗器官。雖說如此,古代的水果,它們的微小植物生殖器也能證明它們就是被子植物。因為它的雌性生殖器官完全被一個保護性的肉質結構所包裹,即心皮;閉心皮是決定開花植物的特征。

就是這樣的有性生殖進化才使得被子植物領先其他植物,在花的生長發育中,花粉的精子必須通過心皮才呢達到卵細胞裡。一旦進入心皮,稱為“雙重受精”的過程就開始了。精子與卵細胞結合後,另一個精子與卵細胞的相鄰細胞在結合,就會在未來發展成胚胎的營養食物。

“雙重受精”則是被子植物最獨特的“秘密”,它們有兩個很明顯的進化趨勢,第一就是胚胎發育和食物供應室同時開始的,然後比裸子植物的生長要快的多,另外呢,營養組它隻有在受精後才能開始發育。

相反呢,裸子植物的種子,即松果中的一些種子,在受精前它們就充滿了很多營養物質,這大大延長了它們的繁殖過程。這也意味着,無論受精是否成功,每個種子都必須有良好的食物儲備。被子植物花政策在起跑線上獲勝。

“古果”有可能是最為古老的被子植物化石了,但是,它可能不是最早的被子植物。要回到一個更遙遠的時代,我們必須尋找更多隐藏的證據。

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證據之一是花粉。

在沉積岩中經常可以看到各種各樣的花粉化石,當然包括開花植物特有的花粉。目前,被鑒定為被子植物的最古老花粉已經有1.35億年了。這一小撮珍貴的花粉來自英格蘭南部的沉積物。但是被子植物花粉比裸子植物少。用一位植物學家的話來說:“當開花植物首次出現時,花粉數量少,類型少。這被稱為低地位。”針葉樹、蘇鐵和它們滅絕的“親友”是當年的主要植物。

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基因為過去打開了另一扇門。

早在20年前年,科學家們通過對數百種現存植物的DNA序列進行嚴謹的分析,獲得了被子植物的“發育樹”。分析表明,Amborella是一種罕見的常綠灌木,開乳脂狀小花,結紅色漿果,是現存最早的被子植物。是以呢,這樣的一種植物它很可能儲存了家族的特征。

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共葉李是最早的開花植物,僅存在于南太平洋新喀裡多尼亞。它能夠存活下來是非常偶然的。“新喀裡多尼亞大陸”它曾經是岡“瓦納超大陸”南部的一部分,“岡瓦納超大陸”在5500萬年前脫離超大陸;結果呢,當其他的古代植物物種在這些地方失去競争力并滅絕時,這個島就成為最後的一艘“超級諾亞方舟”。

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進一步的遺傳研究發現,睡蓮及其相關物種、排水草和木蘭藤(包括著名的香料八角)的曆史幾乎與共葉李一樣悠久。這些比較“高貴”的顯存植物物種它們可以填補一些空白,還有個問題:開花植物是如何進化的,這是因為,裸子植物是被子植物的祖先,因為,隻有它們才有被子植物那樣奇怪的種子;但是進化的速度是從哪種植物開始的呢?候選者包括滅絕的植物,絕對的蘇鐵和類似棕榈的開放目。雖然目前還沒有最終結論,但最近對現存植物的研究又邁出了一步來揭示真相。

植物學家威廉弗裡德曼花了12年的時間研究原始被子植物。2020年,他和他的同僚約瑟夫·威廉姆斯(Joseph Williams)發現睡蓮和木蘭有一些特殊的胚胎營養組織,看起來像裸子植物。是以,這兩種植物可能構成被子植物和裸子植物之間的“失去的聯系”。

之後,弗裡德曼的研究又取得了更大的進步。他發現一種特殊的排水草的種子它們在施肥前會有營養的支援。換句話說,和裸子植物一樣,它屬于浪費性繁殖,也就是說,無論是否受精,它都會先用食物填滿種子。弗裡德曼說:“我們的研究填補了被子植物和裸子植物之間的空白。”

無論被子植物在哪裡進化,它們的進化時間都是由DNA序列資料所暗示的,而DNA序列資料的出現要早于花粉記錄所顯示的時間。由美國佛羅裡達大學的Doug Soltis上司的小組認為最早的開花植物可能出現在1億8000萬年前的侏羅紀早期。

這些簡單的新生物在當時幾乎沒有什麼影響。又過了5000萬年,主要被子植物譜系終于在晚侏羅世出現。

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一些植物學家認為,從1.44億年前到1.4億年前,植物突然經曆了爆炸式的進化,産生了所有開花植物的主要譜系。它們看起來如此之快,令人震驚。在這裡被子植物開啟了征服世界的腳步。

事實上,從1.1億年前到9000萬年前,随着開花的玫瑰枝樹的出現,生态規則也随之産生。佛羅裡達自然曆史博物館的研究人員說,同時進化和發展各種玫瑰枝意味着世界各地的被子植物正在生長。

在被子植物中,有些樹木大多屬于薔薇科,比如說,猴面包樹、橡樹、山毛榉、楓樹等一些樹木。開花植物因其繁茂而主宰了整個森林生态系統,從叢林下層到冠層植被。

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被子植物的繁榮引起了大量的進化連鎖反應,特别是昆蟲。這些參與“植物革命”的“步兵”逐漸發展出在花間攜帶花粉的能力,以傳回少量食物,進而幫助開花植物節省花粉生産并保留更多寶貴的能量。相反,裸子植物主要通過風傳播。

蜜蜂特别受益于這一雙赢戰略。它們是在早白垩世由黃蜂進化而來的,現在它們早已與花朵密不可分。

正是由于蜜蜂的興起,花朵走向了一條更大、更美麗的道路,以便率先授粉。

2008年的一項研究表明,根據明尼蘇達州的花粉化石研究,大約3/4的被子植物是9600萬年前的媒染劑,這與現在幾乎相同。上司這項研究的迪爾奇說,從那時起,許多花變得美麗起來。

于是整個世界開花了。

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甚至被認為起源較晚的蘭花也在晚白垩世趕上了開花趨勢。盡管蘭花有22000種和屬,是植物界的一個大家族,但它們的化石記錄卻很少。2007年,一隻小蜜蜂改變了人們對蘭花起源的了解。大概2021萬到1200萬年以前,在今天的多米尼的某個地方,以隻蜜蜂遇到了一朵花,它也收集了一些花粉。然後它變成了琥珀色。花粉儲存得像兩顆豌豆一樣,幾乎和一些熱帶美洲蘭花的花粉一樣。是以,研究人員修正了植物的分子鐘。他們相信蘭花是從8400萬年前到7600萬年前出現的。

被子植物進化中的另一個重大事件發生在這一時期:對現代世界的形成做出巨大貢獻的禾大學植物繁衍生息。水稻,小麥、玉米、和其他作物為我們人類提供賴以生存的食物,而野生雜草則主宰着草原景觀。草原在2500萬年前到1500萬年前才流行起來。當時的世界,自然環境比較寒冷幹燥,但大多數植物它們很好地适應了這種惡劣的氣候。由于大多數的草本植物的地下根的部分生長旺盛,這使得它們可以在幹旱環境中生存下去,在火災或放牧後再生更快。

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類似地,禾大學植物的曆史比我們想象的要長。前不久,人們在一個恐龍糞便化石中(七千萬年)中發現了一種矽,這種物質隻在禾大學植物中發現。可以看出,早在恐龍滅絕之前,就有很多種禾大學植物。

被子植物的種類還有數量在白垩紀的時候持續增加,然後就進入早第三紀。5000萬年前,當被子植物統治了幾乎所有的栖息地時,“植物革命”結束了。被子植物花了數千萬年才成長為世界級的巨人。

被子植物的影響不僅限于此。我們遙遠的靈長類祖先在古老的開花植物林中繁衍生息,早期人類在東非大草原的草叢中獲得了前所未有的新的進化機會。在未來,人類受益于谷物、蔬菜和水果的種植。

被子植物對人類成功的每一步都是不可或缺的。毫無疑問,花的力量确實統治着世界。

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