绿绒蒿、雪兔子、龙胆……为什么高山上花朵更迷人?

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绿绒蒿、雪兔子、龙胆……为什么高山上花朵更迷人?

# 我是科学家 · 演讲合集

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垫状植物的生长速度非常慢,每年直径只能增加一厘米左右。所以如果我们在高山上看到一个直径一米的垫状植物,它可能长了上百年时间。

高山上传粉昆虫是一种很稀缺的资源,马先蒿可以在同一只熊蜂身上的不同位置来划分自己的势力范围,同时还实现了生殖隔离,这是一件非常有意思的事情。

2020 年 6 月 13 日,” 我是科学家 ” 第 21 期演讲现场,首都师范大学生命科学学院副教授、中国科普作家协会会员、中国野生植物保护协会理事顾有容带来演讲:《绿绒蒿、雪兔子、龙胆……为什么高山上花朵更迷人?》。

顾有容演讲视频:

以下为顾有容演讲实录:

大家好,我是植物人顾有容。

我是一个研究高山植物的人。所谓高山,一般指海拔超过 3000 米的山。因为有青藏高原的存在,中国可能有 1/4 的国土面积都处于这个海拔甚至更高,所占面积非常大。

这些地方的植物给人最直接的印象就是:花都特别美。

为什么这些长出这么漂亮的花来?这是我今天想跟大家分享的故事。

这种植物叫做光叶玉兰,也叫康定木兰,是中国特有的一种木兰科珍稀濒危植物。它的分布区域很狭窄,就在贡嘎山周围一小片地方,野外个体数量不到 2000 株。

2012 年,山水自然保护中心发起了一次 ” 康定木兰野外回归 ” 活动,发动一些喜欢植物、也愿意为植物保护贡献力量的人,去把人工繁育的康定木兰幼苗栽回它的野外生境,来扩大它的野生种。

在这次活动里,我第一次见到了我媳妇桔子。我们当年一起栽的那些康定木兰,今年已经开花了。

为什么我有机会去参加这种能够捡到媳妇的活动呢?因为我是一个研究高山植物的人,所以一个在虽然不是那么高的山上进行的植物公益活动会请我去当科学顾问。

我正经的工作环境是什么样的?大家可以看一下——

这是一个海拔 3000 米左右的高山湿地。从下往上,我们可以看到湖泊干涸之后形成的沼泽,然后是一些针叶林,再往上能够看到一些风化的山体。

这是青藏高原高原面上的景象,看起来像 Windows 桌面。这就是我们工作的日常环境,因为高原其实是海拔很高的平原,地势本身非常平缓;但是往远处,你能够看到一些比较高的山。这张照片里面,远处的那个山就是巴颜喀拉山脉东段的主峰年保玉则,最高海拔在 5600 米左右。

这是四川省的第二高峰四姑娘山,它的主峰海拔是 6250 米——当然我不会爬到那么高的地方。这个山的难度很高,我只能爬到 5200~5300 米的样子,而且再高的地方也没有植物了。

在这张照片里,我们可以看到由高山灌丛,到高山草甸,再到高山流石滩和冰缘带的环境过渡。越高的地方,温度就越低,风就越大,对植物来说就越严酷——这些地方的植物往往会演化出一些非常特别的性状来适应环境。

这是的工作状态。因为我研究的对象都是草本植物,所以我平时不管是拍照、采标本,还是做野外实验,都是趴在地上干活的。

说起来有一段辛酸的往事。

我读博士的时候研究的是木本植物,大概二三十米高的乔木。如果要做传粉实验,就得专门去搭一个脚手架,特别辛苦。所以毕业后,我就打死都不做乔木,改研究草本植物了。

当然,也和高原上的植物确实长不高有一定的关系。我们经常开玩笑说,当地的木本植物长不大,森林只有 50 厘米高——实际上是高山灌丛,不是森林。

我来北京之后的几年,如果需要做野外工作,而桔子又有假期,我们俩就会一块去野外。

桔子是我认识的体能最好的人之一,这张照片是她最后一次陪我出野外时拍的。大家能看出来,这个人已经怀孕 7 个月了吗?

当时她跟我一块去跑四川的甘孜州和云南的迪庆州做采集,这张照片是在九龙县的鸡丑山上面,我们从海拔 4300 米一直爬到山顶,山顶海拔大概 4600 米。但这之后她就再也没有跟我一块出野外了,因为我们的孩子出生了,之后就完全把这个妈妈给黏住了。我有点郁闷,因为很多野外的好玩事情,没法第一时间跟桔子分享了。

但没关系,我自己一个人出野外也挺乐呵的。

大家来到高山上的时候,往往会被植物的美感所吸引。普通人的第一观感往往是:这些花怎么那么大,颜色怎么那么鲜艳,为什么能够一开就开那么大一片?

但这些东西对我来说都是科学问题。高山上植物的这些美感,实际上是适应特殊生境所演化出来的一些性状。它们是如何演化出来的?它们是如何和环境之间发生相互作用的?这就是我需要去探讨的一些问题。

比如,高山上植物主流的颜色是蓝紫色,要么是蓝色,要么是紫色,我这儿专门贴出来这几张。

为什么高山上蓝紫色花的比例比平地上要大得多呢?

因为高海拔是一个紫外线较强的环境,植物需要在花里面去积累更多的花青素来抵御紫外线,所以就产生了很多蓝紫色的花。

尤其是绿绒蒿属植物,它们有天蓝色的花,别称叫蓝罂粟。是一种非常美的花,只能在高山上看到,其他地方没有这么正的蓝色。

还有更夸张的,紫色深到接近黑色的花。平地上要培育出这种接近黑色的花很难,要专门花很多年时间去做杂交选育,才能够栽培出比如说黑玫瑰、黑牡丹或者黑郁金香——但高山上它自己就能产生。

而且,同一个物种随海拔逐渐升高,花的颜色可能会越来越深。这很好理解,就是我刚才说的理由,它需要积累大量花青素来抵御紫外线的侵袭。所以我们在海拔 4500 米 ~5000 米之间的地方,就能够见到这类深紫色到接近黑色的花,包括报春,贝母,还有很多菊科植物,它们的颜色都特别深。这是自然产生的现象,没有人在里面干预。

在高山上看到的植物还有一个特性:很多植物在开花的时候,花占植物体的部分比叶或茎要多很多。

比如这一棵拟秀丽绿绒蒿,它是生活在高山流石滩上的一种植物,你看它一个植株能够开十几朵花,每朵花的直径都可能有七八厘米,比它下面叶子占的地方多多了。

为什么会形成这样的性状呢?

高山上,传粉昆虫是一种比较稀缺的资源,每种植物都希望能够开出尽可能多的花来吸引昆虫的注意力。但开花对植物本身是一个特别大的负担,所以它没法每年都开出这么多的花来。

像上图的拟秀丽绿绒蒿,它是一种多年生一次开花的植物,它之前几年每年都只长叶子,然后把光合作用积累的能量储存在贮藏根里,就像底下一个小萝卜一样。存了几年,终于存够了,就在最后一年爆发式地开出好多特别大的花来,种子成熟后,整个植株就枯死了。

所以,这实际上是高山植物为了实现自己繁殖的目的,去高效调配资源进行分配的一种方式。

既然长叶子和开花都是非常不容易的事情,那么如果被食草动物吃掉就特别可惜。有一些植物在营养期(只长叶子的时期),它会把叶子的颜色长得跟石头一样,这样的话,那些食草动物可能会发现不了它,也就没法去吃它了。

另外还有一个更简单粗暴的方式,就是浑身长出刺来,可以防止比较大型的食草动物(比如牛羊或鼠兔之类的哺乳动物)去吃它的叶子。

多刺绿绒蒿就是一个典型例子,浑身都长满了硬刺。它拉丁学名的种加词 horridula 是可怕的意思,确实很可怕。虽然花很好看,但你摸上去一定会扎手。

植物在高山上需要应对的恶劣环境还有低温和大风,有的植物会浑身长出很多毛,就像穿了一件毛衣或一条毛裤一样,用这些毛来抵御寒风的侵袭。

水母雪兔子是一种非常可爱的高山植物,它也长在流石滩上,它浑身都有那种很长的细密的棉毛,就像一个小兔子蹲在那里,当然你不仔细找的话可能会发现不了它。如果你把手指头伸到它这一丛毛中间去,你会发现里面真的就特别暖和,就像把手塞进一个毛手套里面一样。但是开花的时候,花就不能隐藏在毛裤里面了——得把花露出来,才能吸引到传粉昆虫来帮助传粉。

图中这棵雪兔子正在开花,它顶端这些紫黑色的部分就是它的花。它还嫌颜色不够显眼,还会散发出比较浓烈的类似肉桂的香气,通过这个来吸引高山上的熊蜂访问它的花,帮它授粉。

还有一些植物索性就把整个植株长成了一个厚厚的垫子,我们把它叫做垫状植物。垫状植物实际上包含了很多种类,但它们的植株形态都差不多。

这张照片里除了垫状的点地梅外,还有一颗云状雪兔子,也是一个靠毛多来抵御低温的植物

比如这个高原点地梅,它的垫子是由很多条缩短而且密集地挤在一起的茎形成的。茎的表面是一些能进行光合作用的叶子,垫子内部有很多腐烂了的往年叶子,所以有保温的作用。如果你去拿温度计测,会发现垫子内部的温度,可能会比外面的环境温度高出 10 度之多。

除了保温,垫子里面还有很多腐殖质。其它植物的种子如果掉到垫子里,萌发后就能够靠腐殖质活下来。所以,垫状植物能够给其它植物提供庇护。在高山这种特别贫瘠的环境里,它是一种先锋物种,能自己建立起一个小小的植物群落,非常有意思。但垫状植物的生长速度非常慢,每年直径只能增加一厘米左右。所以如果我们在高山上看到一个直径一米的垫状植物,它可能长了上百年时间,非常不容易。

除了被动防御低温,有些植物还能主动利用太阳能来提高自己某一个部位的温度。这是一项我们已经做了好几年的研究。有些花会形成一个太阳灶的结构,通过花瓣把阳光反射到雌蕊群附近,让它雌蕊的温度升高。我们用热成像仪和光学照相机来分别拍摄,图中左边两幅是热成像仪下面的影像,右边两幅是光学下的影像。在左边的热力图里,我们可以看到雌蕊附近的温度确实比花瓣以及周围环境高很多。在阳光特别强烈的时候,温差甚至有 15 度之多。

这样的高温有什么用?

可以保证雌蕊里面的授粉过程快速且高效地完成。授粉后,在有加温的条件下,花粉管生长的速度比不加温的快好几倍,最后结出种子的数量和质量也更高。

研究之外,我这两年的新欢是马先蒿属,是一个很特别的植物类型。大概全世界有 600 种以上马先蒿属植物,2/3 都在中国的青藏高原地区有分布。它是一类半寄生植物种子刚萌发的时候,它是寄生在其他植物的根上,但长大后,它就可以自己通过叶子来进行光合作用,同时开出很漂亮的花。

马先蒿属植物的花很特别,是一个 ” 二唇形 ” 的花冠。整个花冠裂成五片,上唇有两片,下唇有三片。上唇的两片会首先对折在一起,把雄蕊包裹在里面,然后会向前伸出,形成一个特别细长、有时候很扭曲的一个所谓的 ” 喙 “,就像鸟嘴一样,把雌蕊的柱头固定在喙的先端位置。不同种类的马先蒿,它盔的形状和喙的长短差异非常大。我本身就是一个性格比较 ” 扭曲 ” 的人,所以特别喜欢这种长得非常扭曲的花,觉得扭来扭去非常好玩。

但扭曲的特性并不只是好玩。每一种马先蒿,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样。

这有什么用呢?

如果同一个区域里有不同种类的马先蒿分布,它们就可以利用在区域里面活动的同一种传粉昆虫。比如,一种植物它可能用熊蜂脑袋的左半边传粉,另外一种可能用熊蜂屁股的右半边来传粉。本身高山上传粉昆虫是一种很稀缺的资源,这些马先蒿可以在同一只熊蜂身上的不同位置来划分自己的势力范围,同时还实现了生殖隔离,这是一件非常有意思的事情。

我们在马先蒿属植物身上,可以见到盔和喙的长度和形状往不同方向演化的例子,而这个演化的过程本身也非常吸引人。青藏高原的植物多样性调查还非常缺乏,所以肯定有很多没有被发现的马先蒿属物种。发现这些新物种的过程,以及了解它们花特殊的形态和传粉者之间的相互适应机制,是一件非常有意思的事情。我这两年在做我自己的主业之余,会捎带着去关注一下这件事情。我认为这个属非常好玩,大家有兴趣可以去了解一下。

我的研究是植物在极端环境下会发生的适应机制,高山本身是具有这样特性的极端环境。那么,如果换成一个更加极端的环境,或者地球上本身不存在的环境,植物可能会演化成什么样呢?

我最近参与策划了一个科学艺术展览,叫 “星际花园”,就是通过一些科学的道理来推测:外星上的植物可能会长成什么样。这是一个大开脑洞的事情,我们需要去设想外星上可能会有的环境,然后去想象在这个环境下植物有可能会变成什么样子。

比如说,一个表面完全被海洋覆盖的星球,它没有陆地,也没有能在空中飞的传粉动物,那这个星球上的光合生物它有可能会长成什么样呢?其中一个设计是这样的——

这种植物有漂在海面上的部分,还有更多垂到水下。它可以通过水上聚光的结构,把来自它那个星系的太阳光给聚集到下面一些类似输导组织的构造里面,输导组织里有一些像光纤的结构,可以把光线导到很深很暗的海水里。

这样,看起来就像是垂下来根的末端(姑且认为它是根吧)在深暗的海水里面发亮,就可以吸引水里面的一些生物,比如说当地的鱼或者别的水生动物来触碰这些地方。植物的繁殖器官正好长在这些位置,在这个过程中就有可能实现传粉。

实际上,这个设想是把在地球上开花的植物通过颜色、气味等等一些信号来吸引传媒者的特性,给搬到了一个完全是水的环境里面。它背后的科学原理是通用的,只不过我们给它设想了一个更加奇怪的环境而已。这一个系列我们策划了十几种植物,很快就要开展了,到时候也欢迎大家关注,看看我们到底开出了怎么样的脑洞。

除了开脑洞之外,我出野外的步伐也不会停滞下来。而且我也在不断尝试,希望把我全家,包括桔子老师还有我们孩子都一块带到野外去。我希望孩子们从小就开始接触这些高山上特殊的生命形态,拓展她们的视野。

我和桔子也做了一些尝试,比如每年都会尝试带她们去到一个海拔更高的地方。这张照片是去年拍的,在四川西岭雪山景区,我们爬到了一个海拔 3800 米左右的高度,两个小朋友都非常顽强地挺过来了,我觉得她们没有任何问题,估计也不会高反。

谢谢大家。

演讲嘉宾顾有容:《绿绒蒿、雪兔子、龙胆……为什么高山上花朵更迷人?》 | 摄影:Vphoto

监制:吴欧

策划:麦芽杨

编辑:麦芽杨、凝音

排版:凝音

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