植物的管道系统如何帮助它们征服世界

为了防止致命的干旱并在陆地上生存,植物进化出了复杂的内部管道系统

Fossilized stem cross section with water-conducting tissues highlighted in blue.

茎化石横截面,蓝色高亮显示导水组织。

Ludwig Luthardt/柏林自然博物馆 (CC-BY 许可)

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参天红杉和细长的丛林藤蔓通过称为木质部的管状组织将水分从土壤输送到高高的树叶上。在早期植物中,它们只有几厘米高,只生活在潮湿的环境中,木质部就像一束简单的圆柱形吸管,沿着茎向上延伸;我们现代生物圈的存在是因为这种基础设施在某种程度上变得更加复杂。

捷克科学院生物学家马丁·布达表示:“在维管植物弄清楚如何在相对干燥的地方长到巨大之前,陆地生命进化的背景——生态系统实际上并不存在。”

许多现代木质部具有复杂的横截面,看起来像有间隙的环、十字、菱形或心形,髓腔是分隔木质部组织束的死空间。但是,是什么促使植物以这种方式改造它们的管道仍然是一个世纪之谜。布达和他的同事最近在《科学》杂志上提出,植物进化出复杂的木质部是为了抵抗干旱。


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从叶片流失到干燥空气中的水分很难从干涸的土壤中补充。这样做会拉紧木质部,引入气泡,这些气泡会堵塞管道,使组织缺水——类似于致命的空气栓塞切断动物血液流动的方式。布达的团队使用基于现代植物和化石植物的模拟来展示现代木质部的间隙和死端如何阻止这种气泡扩散。

但康奈尔大学进化生物学家雅各布·苏伊萨说,对木质部细胞和组织结构进行小规模调整也可以防止干旱,他没有参与这项新研究。复杂的横截面可能只是随着植物长大而偶然出现的。“在进化的时间尺度上,大小与复杂性的增加相关,”他说,并补充说,“质疑每种性状都必须是适应性的这种思路非常重要。”

苏伊萨建议,仔细比较来自不同气候植物的木质部可以解决一些剩余的歧义。

然而,这项新研究突出了微小的进化调整可能带来的巨大后果。布达说,如果没有抗旱的植物管道,“很难想象地球和生活在地球上的物种会是什么样子。”

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