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我死了十年,活过来只需要一滴水!秘密竟和你吃的糖有关系!

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在科幻小说《三体》中,刘慈欣塑造了一群奇幻的外星生物“三体人”。

这些外星人为了在环境恶劣的星球上生存,有一奇招:躯体脱水。即能迅速脱水变成一张“纸皮”,进入休眠状态,等熬过灾难,再将纸皮浸泡在水中,就恢复原样了!


图源:剧版《三体》

这在生物学上可行吗?

这样的生物,在地球上还真有原型!大名鼎鼎的“九死还魂草”——卷柏就是其中之一。


一团毫无生气的干枯草球,浸水后,竟重新焕发生机。| 图源:参考文献[1]

卷柏被称为“不死植物”“万年松”。它们是如何具备这种“死而复生”的非凡本领的?


远古走来的神奇植物

虽然名字里带“柏”,但作为低矮的草本植物,卷柏显然不是柏树,只是枝叶有些相似罢了。

卷柏通常指卷柏科(Selaginellaceae)卷柏属(Selaginella)植物S.tamariscina(下文称作“卷柏本种”),也泛指卷柏属这一有约750个物种的大家族。

卷柏科所属的石松类(Lycophytes)是最古老、最原始的维管植物(除苔藓以外的陆生植物),出现于约4亿年前。卷柏科则可以追溯到3亿多年前的晚古生代,在恐龙横行的白垩纪就已经相当多样了。


缅甸琥珀中保存的白垩纪中期(约9900万年前)的卷柏S. obscura,形态与现生种类几乎无异。|图源:参考文献[5]


许多卷柏物种的叶在茎上排成4列,两列横向伸展(侧叶),两列像瓦片一样覆盖在茎上(中叶)。|图源:fernsoftheworld


黑顶卷柏(S. picta)侧枝的侧叶深绿色,中叶白色,形成漂亮的条纹。|作者 摄

类似于苔藓和蕨类,卷柏没有种子,依靠尘埃般微小的孢子繁殖。孢子萌发和早期发育很依赖水,因此多数卷柏偏爱湿润的环境。

然而在漫长的演化中,少数种类“进军”季节性干旱的生境,如石山岩缝和沙漠地区。这些原始的植物不具备发达的根系或多汁的储水组织,但它们有枯而不死,遇水复苏的绝技。

原产北美沙漠的鳞叶卷柏(S. lepidophylla)干枯的“草球”有时甚至根须断裂,随风滚动到远处。





能够在脱水干枯后复苏的卷柏:(A)卷柏本种(东亚),(B) 鳞叶卷柏和 (C) S. bryopteris(印度),以及不耐脱水的 (D) 江南卷柏(S. moellendorffii,华南和东南亚)。|图源:POWO、UT-Austin、参考文献[5]


“枯木逢春”的秘密

植物组织的含水量约为70%-90%,水既是生命活动的介质,又是维持植物细胞结构所必需的。

为了减少脱水对机体的破坏,卷柏的第一招是“卷”。莲座形植株外侧的枝条弯成弧形,内侧枝条卷成螺旋状,将幼嫩的植株中心和枝条顶端严严实实地包裹,避免烈日炙烤等损伤。


脱水卷缩(B)和自然伸展(C)状态的卷柏本种 | 图源:参考文献[1]


卷柏卷缩过程的模型示意 | 图源:参考文献[4]

为了团成完美的球,卷柏巧用指针式的温湿度计的原理。植物细胞的细胞壁主要由亲水、柔软的纤维素和疏水、刚性的木质素组成,而在卷柏枝条厚厚的皮层组织中,木质素的分布是不均匀的。

  • 在植株内层枝条的中部,外侧木质素的含量远高于内侧,因此当枝条失水时,富含纤维素的内侧组织明显脱水收缩,富含木质素的外侧组织则不易收缩,因此枝条向内侧弯曲。

  • 枝条基部内外两侧木质素含量差异较小,因此弯曲幅度更小,使枝条整体卷曲成上紧下松的螺旋形。

  • 外层枝条中的木质素分布也相对均匀,卷曲程度较低,为容纳内层枝条提供更多空间,卷柏层层叠叠的枝条就这样整齐有序地包裹起来。


卷柏茎横切面,f-h中红色部分富含木质素 | 图源:参考文献[4]


链状、富含羟基(—OH)的纤维素分子赋予棉花柔软和吸水性,网状的木质素分子则使木材坚固。|图源:biorender、图虫创意、参考文献[6]


相较于物理防护,如何保证脱水状态下细胞结构不受破坏,显然是更重要的。

卷柏体内含有大量的可溶性糖(葡萄糖、蔗糖和1-蔗果三糖)和糖醇(山梨糖醇、木糖醇、阿拉伯糖醇和赤藓糖醇),这些高度亲水的物质一方面可以牢牢抓住水分子,大大降低脱水的速度,减少快速脱水对细胞造成的损害并为植物响应脱水争取时间,另一方面可以结合和稳定蛋白质等生物大分子,保护细胞结构。而在卷柏吸水复苏时,这些物质能让细胞平缓地吸收水分,避免急剧吸水膨胀对细胞造成二次伤害。


蜂蜜是主要由葡萄糖(右上)和果糖(右下)组成的糖浆,这样的物质易吸水,难结晶,形成均匀的“玻璃态”,有利于在脱水状态保护细胞结构。|图源:britannica、openclipart、istockphoto


此外,卷柏还积累了许多其他起保护作用的物质,如在逆境下保护细胞的甜菜碱、对抗紫外线和氧化损伤的芳香族氨基酸及其衍生物与黄酮类、贮存氮元素并能合成抗氧化物质γ-谷氨酸,以及在脱水状态下维持细胞膜稳定的多不饱和脂肪酸,它们各显神通,保障卷柏安然度过脱水状态。据报道,曾有卷柏干标本在保存11年后,浸水仍能复苏。

你或许会想,这些机制是如何演化出来的呢?为什么绝大多数更“高等”的种子植物没有这一绝技?


植物登陆的“快照”

卷柏“逆天”的抗脱水能力,当然不是凭空出现的。

比维管植物更加原始的苔藓植物和作为陆生植物祖先的绿藻,都不乏能耐受脱水的种类,而卷柏通过大量积累可溶糖类对抗脱水的机制,同样存在于一些苔藓中。

可以想象,在4亿多年前,当陆生植物的先驱第一次踏上荒凉贫瘠的大地,面对无遮拦的风吹日晒,正是耐脱水的能力为它们留住一线生机,逐渐给大地披上绿装。

随着土壤在植物滋养下日益肥沃,以及植物不断强化对陆地环境的适应,这种 “超能力”渐渐被“淡忘”了。


在4亿多年前,纤弱的陆生植物从水畔出发,向空荡荡的陆地进军。|图源:BBC

当然,植物们没有完全丢弃这个法宝。许多植物成熟的种子和花粉,也是处于脱水休眠的状态,当它们落入湿润的土壤或雌蕊柱头的粘液中时,就被“唤醒”,萌发生长,正如干枯的卷柏遇水复苏那样。

在干燥过程中,卷柏体内产生大量用于在脱水时保护细胞的LEA家族蛋白和打包油脂作为“后备能源”的油体蛋白(Oleosin),它们也在种子植物应对干旱胁迫,特别是在种子成熟脱水的过程中发挥至关重要的作用。


在种子库中长眠的干燥种子,承载着植物,以及我们的未来。|图源:sciencephoto

最后提醒一下,虽然卷柏有“九死还魂草”之名,但这仅限于干燥后“复活”,它们本身对生长环境仍有较高的要求,部分种类相当稀有,因此请不要购买野生的卷柏!

如果喜欢它们古朴苍翠的样子,可以选择小翠云(S. kraussiana)等园艺种植的种类,它们虽然不能“复活”,但更容易栽培繁殖。


青翠欲滴的小翠云 | 作者 摄

-参考文献:

[1] VanBuren, R., Wai, C., Ou, S. et al. Extreme haplotype variation in the desiccation-tolerant clubmoss Selaginella lepidophylla . Nat Commun 9, 13 (2018). https://doi.org/10.1038/s41467-017-02546-5

[2] Xu, Z., Xin, T., Bartels, D., Li, Y., Gu, W., Yao, H., Liu, S., Yu, H., Pu, X., Zhou, J., Xu, J., Xi, C., Lei, H., Song, J., & Chen, S. (2018). Genome Analysis of the Ancient Tracheophyte Selaginella tamariscina Reveals Evolutionary Features Relevant to the Acquisition of Desiccation Tolerance. Molecular plant, 11(7), 983–994. https://doi.org/10.1016/j.molp.2018.05.003

[3] Yobi, A., Wone, B. W., Xu, W., Alexander, D. C., Guo, L., Ryals, J. A., Oliver, M. J., & Cushman, J. C. (2012). Comparative metabolic profiling between desiccation-sensitive and desiccation-tolerant species of Selaginella reveals insights into the resurrection trait. The Plant journal : for cell and molecular biology, 72(6), 983–999. https://doi.org/10.1111/tpj.12008

[4] Rafsanjani, A., Brulé, V., Western, T. et al. Hydro-Responsive Curling of the Resurrection Plant Selaginella lepidophylla. Sci Rep 5, 8064 (2015).

[5] Selaginella moellendorffii:Hui Xiong, Cong Yin, Ding Tang, Xiran Xiong, Xinqiao Liu, Zhengwen Wang, Xiaolei Yu, Zhinan Mei, Juan Li.The Telomere-to-Telomere Genome of Selaginella moellendorffii Provides Insights into Genome Evolution and Biflavone Biosynthesis.Horticultural Plant Journal. 2025. ISSN 2468-0141.

[6] Karunarathna, M. S., & Smith, R. C. (2020). Valorization of Lignin as a Sustainable Component of Structural Materials and Composites: Advances from 2011 to 2019. Sustainability, 12(2), 734. https://doi.org/10.3390/su12020734 /(木材)freepik.com

[7] Alexander R. Schmidt, Petra Korall, Michael Krings, Stina Weststrand, Lena Bergschneider, Eva-Maria Sadowski, Julia Bechteler, Jouko Rikkinen, Ledis Regalado "Selaginella in Cretaceous amber from Myanmar," Willdenowia, 52(2), 179-245

[8] 纪录片视频《移动的植物 卷柏》. https://www.bilibili.com/video/BV1jj411X7PL/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=41c8662fc9731a4ac924aa89243d54aa

来源:上海自然博物馆

编辑:LS

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