?“解救”達(dá)爾文

春天，萬(wàn)物復(fù)蘇的信號(hào)一發(fā)出，樹(shù)枝上就冒出了新芽，含苞待放的花蕾掛滿枝頭，時(shí)機(jī)一到，各種各樣的花就迎來(lái)了大爆發(fā)。五顏六色的花朵讓大自然褪去了單調(diào)的色彩，讓世界變得生機(jī)盎然。然而，一百多年前，英國(guó)生物學(xué)家查爾斯·達(dá)爾文看到這樣的情景時(shí)，卻心生氣憤——這些花是從哪兒來(lái)的？

當(dāng)然，達(dá)爾文不是對(duì)花粉過(guò)敏，也不是討厭花，而是他的進(jìn)化論似乎受到了花的挑戰(zhàn)。根據(jù)當(dāng)時(shí)所知的化石記錄，自大約1億年前（白堊紀(jì)中期）起，被子植物似乎經(jīng)歷了突然的起源和爆炸式的多樣化。到了白堊紀(jì)晚期，它們已經(jīng)遍布大陸，并且形狀和大小變得千差萬(wàn)別，呈現(xiàn)了豐富的多樣性。而達(dá)爾文的進(jìn)化論認(rèn)為，物種的進(jìn)化在自然選擇的驅(qū)動(dòng)下緩慢進(jìn)行。那么，被子植物的花朵真的是在很短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)并多樣化的嗎？它們是怎么做到的？

達(dá)爾文被困在了關(guān)于花的這些問(wèn)題中，最終也沒(méi)有找到答案。一百多年來(lái)，這些問(wèn)題同樣困擾著其他生物學(xué)家。如今，各種新的研究成果似乎找到了解答這些問(wèn)題的答案，有望將達(dá)爾文從花之困惑中“解救”出來(lái)。

開(kāi)花植物的DNA倍增

從達(dá)爾文掌握的植物化石來(lái)看，沒(méi)有證據(jù)顯示被子植物是從哪種植物進(jìn)化來(lái)的，也沒(méi)有證據(jù)顯示它們的進(jìn)化過(guò)程，它們就好像走在了進(jìn)化的快車道上，并以極快的速度完成了進(jìn)化。一百多年來(lái)，隨著更多被子植物化石被發(fā)現(xiàn)，可以證明被子植物并不是突然出現(xiàn)，不過(guò)它們的進(jìn)化速度確實(shí)比較快。

在太平洋小島新喀里多尼亞，生長(zhǎng)著一種被稱為無(wú)油樟的植物。科學(xué)家們認(rèn)為，無(wú)油樟是被子植物進(jìn)化中最早期分支之一的幸存者，而這個(gè)分支可以追溯到所有開(kāi)花植物的最后一個(gè)共同祖先。通過(guò)對(duì)無(wú)油樟的研究，我們或許可以了解所有開(kāi)花植物的最后一個(gè)共同祖先的信息。

2013年，科學(xué)家對(duì)無(wú)油樟基因組的研究結(jié)果顯示，第一批被子植物大約出現(xiàn)于2億年前，這比達(dá)爾文時(shí)代所認(rèn)為的被子植物最早的出現(xiàn)時(shí)間早了大約1億年。而科學(xué)家認(rèn)為，第一批被子植物可能是從某種蕨類植物進(jìn)化而來(lái)的。

那么，蕨類植物為何會(huì)進(jìn)化出被子植物呢？研究顯示，促成這一進(jìn)化的是一種特殊的基因突變——“DNA倍增事件”。所謂DNA倍增事件是通過(guò)突變，獲得“雙倍劑量”的遺傳物質(zhì)。在脊椎動(dòng)物中，也會(huì)發(fā)生類似的事件，但是這種突變通常是致命的。植物則不同，它們通常能在這種情況下存活下來(lái)，有時(shí)還能從復(fù)制的基因組中受益。通常情況下，經(jīng)過(guò)幾代的時(shí)間，大多數(shù)來(lái)自DNA倍增事件的重復(fù)基因就會(huì)消失。不過(guò)有時(shí)，重復(fù)的基因片段卻會(huì)被利用起來(lái)，為整個(gè)基因組培育更高效率、更專業(yè)化的新功能，比如大約2億年前植物中的DNA倍增事件所產(chǎn)生的一些基因片段就承擔(dān)起了控制花器官發(fā)育的功能。

而這種DNA倍增事件在被子植物的進(jìn)化過(guò)程中不止一次發(fā)生，這為不同的被子植物的基因組加入了大量的DNA，它們也因此進(jìn)化出各種新功能，這使得被子植物變得更多樣化。可以說(shuō)，如果沒(méi)有DNA倍增事件幫助創(chuàng)造的基因，我們今天所知的開(kāi)花植物可能就不存在了。

DNA倍增事件解釋了被子植物如何突然變得多樣化，除此之外，被子植物是不是還有某些特殊的方法來(lái)為自己的進(jìn)化加速？

加速進(jìn)化的妙法——縮小基因組

被子植物進(jìn)化速度加快的秘密就藏在它們的身上。美國(guó)耶魯大學(xué)和美國(guó)舊金山州立大學(xué)的科學(xué)家收集了近400種被子植物、蕨類植物和裸子植物，并對(duì)它們的基因組大小、細(xì)胞大小、氣孔密度（氣孔的數(shù)量或者葉片上的微孔的數(shù)量）等進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)，被子植物的基因組大約從1.4億年前開(kāi)始在漸漸縮小。而這個(gè)時(shí)期，恐龍仍在地球上漫步，被子植物則快速在地球上“擴(kuò)張”。那么，基因組縮小和被子植物走向繁盛，這之間有什么聯(lián)系嗎？

科學(xué)家認(rèn)為，基因組的大小和細(xì)胞大小有著緊密的聯(lián)系，這是因?yàn)榛蚪M所在的細(xì)胞核的大小決定了細(xì)胞最小尺寸。而對(duì)于開(kāi)花植物來(lái)說(shuō)，更小的基因組，也就是更小的細(xì)胞對(duì)它們是有益的。因?yàn)檫@使得與其他同體積的植物組織相比，它們的組織可以容納更多的細(xì)胞，從而極大地提高了新陳代謝效率。更小的細(xì)胞還使被子植物葉片上擁有更多的葉脈和氣孔，這提高了植物的蒸騰、光合作用和生長(zhǎng)速率。這一切無(wú)疑加快了被子植物的進(jìn)化速度。

那么，被子植物的細(xì)胞為何在1.4億年前縮小呢？它們是如何做到這一點(diǎn)的？在對(duì)遠(yuǎn)古氣候的研究中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在1.4億年前的一段時(shí)間內(nèi)，地球大氣中的二氧化碳水平下降，這對(duì)于依賴二氧化碳生存的植物來(lái)說(shuō)是件壞事?？茖W(xué)家推測(cè)，為了適應(yīng)環(huán)境的變化，被子植物縮小了自身的細(xì)胞，這種情況正與達(dá)爾文的進(jìn)化論吻合。

暗藏玄機(jī)的花藥

除了出現(xiàn)的時(shí)間、快速的進(jìn)化和多樣性，困擾達(dá)爾文的還有被子植物如何能快速在地球上傳播。一項(xiàng)對(duì)花藥的研究似乎為解答這個(gè)問(wèn)題提供了一些線索。

美國(guó)加州大學(xué)的研究人員對(duì)山字草花進(jìn)行了研究，他們發(fā)現(xiàn)了花朵中的玄機(jī)?；ㄋ幨腔ǖ纳称鞴?，是雄蕊的一部分，花藥中含有花粉。只有將一朵花花藥上的花粉傳到雌蕊柱頭上，這朵花才能結(jié)出果實(shí)。通常情況下，每一朵花都有兩組花藥，它們的顏色、大小和位置都不同。一直以來(lái)，人們認(rèn)為，這兩組花藥是有分工的，其中的一組花藥是用來(lái)吸引和喂養(yǎng)傳粉者的，而另一組不太顯眼的花藥則是負(fù)責(zé)悄悄將花粉撒到傳粉者身上的，這樣傳粉者才能在不知情的情況下幫助傳粉。不過(guò)新的研究顯示，兩組花藥可能沒(méi)有分工，它們的作用同樣是吸引傳粉者。那么，為什么需要兩組花藥呢？

研究顯示，這正是花的“聰明”之處。兩組花藥釋放花粉的時(shí)間不同，每組花藥每次只能釋放少量的花粉，這使傳粉者每次只能從一朵花中得到少量的花粉，如此一來(lái)，傳粉者就不得不光顧其他的花，才能采集足夠多的花粉。而這個(gè)過(guò)程中，傳粉者不知不覺(jué)就將一朵花的花粉傳到了另一朵花上。

而正是開(kāi)花植物進(jìn)化出了這種優(yōu)化傳粉者行為的辦法，才實(shí)現(xiàn)了最大限度地在花之間傳遞花粉，從而使大量繁衍后代成為可能。這或許推動(dòng)了被子植物的種群繁衍，加快了它們?cè)谑澜绺鞯氐膫鞑ァ?h3>沉入海底的秘密

如今，達(dá)爾文關(guān)于花的一部分困惑已經(jīng)被解開(kāi)，但是這些答案大部分是通過(guò)現(xiàn)有的植物追溯遠(yuǎn)古被子植物，至于最初的被子植物是什么樣的？它們從什么植物進(jìn)化而來(lái)？在漫長(zhǎng)的歷史中它們經(jīng)歷了怎樣的變化？科學(xué)家們沒(méi)有找到相關(guān)的化石，看不到它們的變化。達(dá)爾文曾因苦于無(wú)法解決這個(gè)問(wèn)題不得不提出，最早的開(kāi)花植物可能是在一個(gè)遙遠(yuǎn)的、孤立的地方緩慢進(jìn)化而來(lái)，之后傳遍陸地。而那個(gè)地方，在達(dá)爾文時(shí)代是無(wú)法到達(dá)的，或許在現(xiàn)代它也是無(wú)法到達(dá)的，因?yàn)樗赡茉缫殉寥胪粞蟠蠛！?/p>

2017年，一些地質(zhì)學(xué)家稱，在澳大利亞?wèn)|部海域的海底發(fā)現(xiàn)西蘭洲，這似乎印證了達(dá)爾文不得已的猜想。西蘭洲曾與澳大利亞和南極洲一起組成陸地的一部分，在1.05億年至8000萬(wàn)年前才脫離了大板塊。隨后，由于各種地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響而沉入海底。而西蘭洲的最高點(diǎn)現(xiàn)在是在海面之上的，它們就是新喀里多尼亞和新西蘭。在這些地方，研究人員發(fā)現(xiàn)了數(shù)量最多的現(xiàn)存最古老的被子植物群。不僅如此，曾與西蘭洲為鄰的澳大利亞也有現(xiàn)存最古老的被子植物群。因此科學(xué)家推測(cè)，西蘭洲也曾生長(zhǎng)著古老的被子植物。

而脫離大板塊的西蘭洲是一片獨(dú)立的大陸，從某種角度來(lái)說(shuō)，它是類似于新西蘭和新喀里多尼亞的島嶼。由于環(huán)境的限制，島嶼上往往能產(chǎn)生一些特有物種，就像新喀里多尼亞的無(wú)油樟。研究人員認(rèn)為，被子植物可能就起源于西蘭洲，成為西蘭洲的特有物種，并進(jìn)化出多樣性，之后才傳播到世界各地。這或許正是科學(xué)家們一直沒(méi)有找到最早的被子植物化石的原因。

在幾代科學(xué)家的努力下，困擾達(dá)爾文的開(kāi)花植物之謎逐漸被解開(kāi)了。不過(guò)要完全解答關(guān)于開(kāi)花植物的疑問(wèn)，或許還需找到開(kāi)花植物的源頭，唯有這樣，才算是真正將達(dá)爾文從對(duì)花的困惑中“解救”出來(lái)。

（摘自微信公眾號(hào)“大科技”）