植物長刺的秘密

蘇濤 張馨文

提到長刺的植物，很多人會想到玫瑰。其實在自然界里還有許多植物長著刺，例如刺參、刺梨、刺天茄、刺槐等，它們廣泛分布在豆科、薔薇科、仙人掌科、大戟科等眾多類群中。那植物為什么要長刺呢？刺又是如何進(jìn)化而來的呢？

?仙人掌的刺? （葉刺、細(xì)圓錐狀刺）

形態(tài)各異的刺

植物的刺形態(tài)各異，除了常見的細(xì)圓錐狀的刺，還有扁形（如扁刺薔薇）、帶分叉（如皂角），以及彎鉤狀（如飛龍掌血、見血飛）的刺等。

刺是植物的一類特化器官，來自葉片、莖干或者表皮。依據(jù)發(fā)育部位的不同，刺又分為枝刺、皮刺和葉刺。枝刺是莖變態(tài)形成的刺，皮刺是由莖表面形成的一種尖銳突起物，而葉刺則是由葉或托葉轉(zhuǎn)變成的刺狀突起（著生在葉柄與莖的連接處）。

?皂角的刺? （帶分叉的刺、枝刺）? （供圖/蘇濤）

植物防御的“利器”

那么，為什么植物會長刺呢？刺的主要功能是防御大型草食動物取食。因此，非洲稀樹草原的許多喬木和灌木長滿了尖刺。這些植物的刺往往比葉片要長得多，從而保護(hù)自己免受長頸鹿、斑馬等動物的取食。

有意思的是，生長在青藏高原的殼斗科高山櫟屬植物，如果沒有外界干擾會長成高大的喬木，具有全緣葉（沒有凸凹的光滑的葉緣）。而當(dāng)它被砍伐之后，新萌發(fā)枝條的葉片邊緣就會長出不少尖刺用于防御。但是，目前對于高山櫟葉片長刺的分子調(diào)控機(jī)制還不清楚。

?扁刺薔薇的刺? （扁形的刺、皮刺）? （供圖/張馨文）

此外，最近也有研究指出，植物長刺還能夠有效降低自身的水分蒸發(fā)，以更好地適應(yīng)干旱的環(huán)境。因此，干旱地區(qū)帶刺植物的物種比例，往往比濕潤地區(qū)要高得多。

一窺刺的演化史

植物的刺是經(jīng)歷了漫長地質(zhì)時期的演化而逐漸形成的，我們可以通過古生物化石來一窺刺的演化史。青藏高原上曾經(jīng)生長著大量的帶刺植物，而現(xiàn)在的青藏高原中部平均海拔超過4600米，是一片廣袤的高寒草原，只有極少數(shù)植物能夠在這樣極端的環(huán)境中生存。

2017年，第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究正式啟動，中國古生物科考隊在青藏高原中部的倫坡拉盆地，發(fā)現(xiàn)了距今約3900萬年的大量植物刺化石。通過對刺的形態(tài)進(jìn)行觀察和比較，研究人員發(fā)現(xiàn)這些刺包含皮刺和枝刺，共劃分為7種形態(tài)類型。

?產(chǎn)自青藏高原距今約3900萬年的植物刺化石（供圖/張馨文）

為什么帶刺植物曾在青藏高原大量出現(xiàn)呢？通過整合化石記錄、模型模擬和分子系統(tǒng)生物學(xué)等證據(jù)，我們得出了合理的推測：青藏高原曾經(jīng)存在一個東西向的中央谷地，在谷地里生長著茂密的森林。隨后，由于地勢的抬升和氣候變干開始出現(xiàn)了開闊的林地，樹木的種類逐漸減少，草本植物隨之繁盛，這給大型食草哺乳動物提供了更多的食物來源。與此同時，植物面臨著更大的被取食壓力，刺作為有效的結(jié)構(gòu)防御手段而在大量植物中出現(xiàn)，這一過程被化石真實地記錄了下來。

類似的帶刺植物與哺乳動物協(xié)同演化進(jìn)程也曾發(fā)生在非洲，并形成了別具特色的稀樹草原（也稱薩王納），只是這一過程比青藏高原帶刺植物的快速分化晚了約2000萬年。

長刺植物有妙用

相信不少人都被植物的刺扎過，所以見到帶刺植物就會避而遠(yuǎn)之。然而，長刺植物并非一無是處。

有些長刺的植物在園林綠化中有很好的景觀效果，例如，在中國南方熱帶及亞熱帶地區(qū)比較常見的園林綠化樹種美麗異木棉，它粗壯的樹干上長滿了皮刺，與春天時盛開的滿樹繁花相得益彰。此外，帶刺植物也常被栽種于院落周邊當(dāng)作籬笆，像馬甲子、金剛纂（zuǎn）、木香花等。在中國南方的部分地區(qū)，一些蕓香科柑橘屬的植物因枝條密布長刺，常被用于掛曬制作蘿卜干的理想工具。

刺在植物界廣泛存在，是植物在千百萬年地質(zhì)時光里的趨同進(jìn)化，是植物生存智慧的一個縮影。動物和植物在取食與防御中彼此不斷進(jìn)化，一直開展著生物界激烈的“軍備競賽”。當(dāng)你下次再看到刺的時候，不妨走近仔細(xì)觀察，領(lǐng)略這一結(jié)構(gòu)的巧妙和精美！

（責(zé)任編輯 / 張麗靜? 美術(shù)編輯 / 周游）