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张元明 中国科学院新疆生态与地理研究所研究员 塔克拉玛干沙漠 今天我将带领大家一起进入这个神奇的微观世界。这张图片展示的是大家非常熟悉的沙漠景观，浩瀚无垠、黄沙漫天。 全世界有不少这样的沙漠。新疆塔克拉玛干沙漠是世界第二大沙漠，也是中国最大的沙漠。塔克拉玛干沙漠的面积为33万平方千米，相当于好几个欧洲国家的面积之和。这个沙漠最重要的特点表现为沙丘表面是流动的，它表面上的沙粒是活动的。 古尔班通古特沙漠 再看看另一个沙漠。可能很多人见到这个沙漠都心存疑惑：这也叫沙漠？沙漠不应该是黄沙漫漫吗？这个的确也叫沙漠，它就在新疆北部的准噶尔盆地腹地，叫古尔班通古特沙漠。这个沙漠跟塔克拉玛干沙漠最大的不同在于，它的表面是固定或者是半固定的。沙丘的顶部有一些流动带，但沙丘的坡部和底部基本上属于固定状态。导致沙丘被固定住的一个很重要的因素就是我们刚才提到的沙漠“皮肤”。 博格达的故事 介绍完沙漠，接下来我们进入另外一个世界。 博格达山 这里是我在20多年前做博士论文时的研究区域——博格达山，从天池再往上走就到了。之所以我会去博格达山，主要是为了采集苔藓植物标本。生活在这里的苔藓非常优雅，它们抬着高傲的孢蒴，在争取阳光，在吸收水分，在拼命生长，在繁衍后代。 我在博格达山区待了一个月，天天采集这些植物标本，以便搞清楚苔藓植物在该山区流域系统中是如何分布的，它们的生态关系是怎样的。由于我做的是全流域研究，所以我必须要从山上下来进入荒漠，因为荒漠是山地河流的尾闾区。于是，我就到了沙漠，俯下身子开始寻找我所需要的苔藓植物。 在沙漠采集标本 起初，我觉得在沙漠地区不大可能会找到苔藓植物，因为我们都知道，苔藓一般生活在比较湿润的地方。沙漠里面怎么可能会有呢，它们多半无法在沙漠中存活。但是后来，我发现沙漠里确实有苔藓植物——地表上那黑乎乎的、不招人待见的一片就是我要采集的苔藓植物。 沙漠的苔藓植物 从右下角的小照片可以看出来，这些苔藓植物并不乍眼，覆盖在地表上，看起来既干又黑。我们当时既不知道对于沙漠来说它们有什么作用，也不知道它们究竟是如何生存下来的。 从常理来讲，完成采样之后，我就可以从沙漠回到山地去了；但是，在野外的一次偶然发现，让我从此以后把研究重心全部转移到了沙漠。 一天，身边的矿泉水瓶不小心倒了，瓶子里的水流出来，浸润了地表那层黑乎乎的东西，不过几秒钟时间，原本黑乎乎的表面就变绿了，令人惊讶不已。回到实验室，我们对材料进行了研究。 遇水后由“黑”变“绿” 这个小视频展示了植物样本吸水前后的变化状态。处于休眠中的干燥植物体遇到水分后开始展叶复活，由黑变绿，只需几秒钟便欣欣向荣。这个现象深深打动了我，最终我选择回到沙漠。 回到沙漠后，我发现黄色箭头所指示的这些黑乎乎的东西，就是刚才我们在视频中看到的非常神奇的生物。那么，这些黑乎乎的东西有什么作用呢？ 2002、2005对比照 这两张照片拍摄自同一地点，左边的照片拍摄于2002年，照片里，这层黑乎乎的东西尚完好无损。通过风动实验我们发现，哪怕面对10级以上的大风，覆盖了这种生物的地表依然岿然不动，非常稳定。而当有一大群羊踩踏过去之后，地表就变了模样。 这是2005年拍摄的照片，照片中的场景反映了沙漠的本性——去掉覆盖物的地表之下就是一片黄沙。通过这两张照片的对比，我们知道，对沙漠来讲，这层东西就相当于一个保护层，所以我们把它称为沙漠“皮肤”。我想，大家现在可能会理解了这个概念。 什么是沙漠皮肤 沙漠“皮肤”众生相 从学术角度来讲，沙漠“皮肤”应该被称为生物土壤结皮。沙漠“皮肤”到底长什么样子？就长这个样子，这是它的4张“众生相”，有平的，有皱的，有黑的，有黄的。 拥有某种结构的沙漠“皮肤” 我们来看看其中最简单的一种沙漠“皮肤”。它生长在沙漠表面，如果不挖开这个剖面，大家看到的就只是沙漠，而不会注意到沙漠表面会有这么一个薄层。 实验室镜头下的沙漠“皮肤” 这个薄层非常神奇。为了弄清楚它的结构，我们从野外把这个薄层取回到实验室进行观察，结果发现薄层内大有乾坤。简单从这张照片来看，沙粒好像被什么东西包裹着、牵引着，彼此连接成了一个整体。
电子显微镜镜头下的沙漠“皮肤” 我们把这个薄层放在电子显微镜下观察。放大2000倍后，可以看到，薄层中间被很多绳索状的东西捆绑着、缠绕着，维持着某种结构。
光学显微镜镜头下的沙漠“皮肤” 继续放大后再观察，这颗很小的沙粒已经变得像巨石一般大了。“巨石”表面有绳索样的东西缠绕着它，缠绕完一个，再去缠绕另一个，最终将沙粒连接起来，形成了刚才我们看到的那层“皮肤”。 为什么叫它“皮肤”呢？因为它是有活性的，它能像真正的人类皮肤一样去呼吸、去排泄、去生产、去维护荒漠生态系统的稳定。我们在光学显微镜下观察这些“绳索”，发现它们是绿色的。绿色的植物体意味着它能够进行光合作用，能够自力更生养活自己。 刚才我们看到的是一个很小的处于初级发育阶段的薄片。即便是这样，它也可以具有如此神奇的功能，一旦它变厚了，其保护功能和生态功能也将变得更加丰富。这里就不一一介绍了。
左：人体皮肤 右：沙漠“皮肤” 再回到我们的演讲主题——“皮肤”。左图是我们人类的皮肤，它有很多的结构，有输导组织、神经组织等等。右图是我们刚才所讲的小薄层中所包含的生物体，它具有类似皮肤所能够行使的功能。它和皮肤一样，有两个最大的特点：第一，起保护作用；第二，有生物活性。 进一步研究沙漠“皮肤”，我们会发现，“皮肤”里面的物种还是非常丰富的，既有单细胞生物，也有多细胞生物，还有丝状的以及团状的生物，它们聚集在一起组成一个“大家庭”，共同保护我们的沙漠。这是在“沙漠皮肤”中生活的比较简单的生物。 除此之外，“沙漠皮肤”中还生活着一些更为复杂的生物。它们有根、茎、叶的分化，如苔藓等。我们知道，无论是前面介绍的单细胞的藻类也好，还是具有根、茎、叶分化的苔藓植物也罢，它们的繁殖与生长都是需要水分的。 尽管北疆的沙漠有一定的植被覆盖率，但从本质上说，它还是沙漠，它的土地是贫瘠的，它的大气是干燥的，它的土壤也是干燥的，加之强光的干扰和影响，环境不可谓不艰苦。 面对种种不利条件，这些物种为什么还要在沙漠“安家”？它们在沙漠里到底是怎么生存下来的？我们的研究团队抓住这个切入点，做了更深入的研究。 沙漠中的生物如何生存 沙漠是贫瘠的。尽管如此，生长在沙漠中的物种还是能够实现自给自足。为了能够养活自己，这些微小的生物除了能够进行光合作用以外，它们还具有一个特别重要的功能——固氮。 氮是植物生长的必需元素之一。虽然大气成分当中，70%以上都是氮气，但这些氮气并不能直接为植物所用，只有将其固定下来，转化成可供利用的化合物，才能够被植物利用。 沙漠中有很多微小的生物都具有这种强大的功能，它们能把氮气固定下来，转化成肥料供自己使用，用不完的再留给其他植物，由此形成了一个非常稳定的小团体。所以，我们说它们是“自带干粮，丰衣足食”。 很多人都去过北疆的沙漠，在这一地区，地表上只有薄薄一层微小生物覆盖；但就是依靠这些微小生物，整个古尔班通古特沙漠每年可以固定约4500吨氮素，这得相当于多少袋尿素啊。我们把这些微小生物称为“天然绿肥”，它们丰富着沙漠地区植物的生长环境。 沙漠中不仅有高温，还有强光。大家去沙漠都要打伞，但沙漠里的植物打不了，尤其是地表这种非常脆弱的生物体。但不用担心，它也有自己的办法防晒，我们形象地说它“自带防晒霜”。
自带“防晒霜”的植物 我们看最左边这张图，当苔藓植物生长的时候，它的植株肯定是绿色的；但是当外界条件不利于它们生长时，植株就变成了黑色。与此同时，苔藓植物会把所有的叶片收起来，紧靠茎干。此外，其叶片顶端还具有很多白色的结构，我们称之为芒尖。苔藓植物会利用叶片顶端白色芒尖来强化对强光和紫外线的反射，避免植株体受到伤害。所以，我们说这种苔藓植物是顶端“自带防晒霜”。 对于苔藓植物来说，其顶端的白色芒尖不仅仅是“防晒霜”，它还能起到输水管的作用。底下这组照片反映的是在不同尺度下的芒尖结构。将其尺度缩小到微米和纳米级的时候，我们发现，从生物力学角度看，白色芒尖里有很多在纳米尺度修饰过的结构。
精细纳米结构吸收水分 而且这类植物还有一点非常神奇，它不是靠根吸收水分，而是依靠叶片通过这些表面精细结构直接从空气中吸收水分。所以，它的根被称为假根，假根只起到稳定植物体，使其固着于基质的作用。 尽管沙漠地区空气中所含的水分非常少，但植物顶端的芒尖依然能够把空气中的水分拽出来，为己所用。 我们和美国同行一道将这一研究成果发表在《Nature》杂志的子刊《Nature Plants》上。《Science》杂志也对该项研究进行了报道。该杂志的评论认为，如果人类可以利用这种非常神奇的、精致的自然结构，人为制造“水分收集器”，并将其放到沙漠里，是不是就能帮助在沙漠中生活的人类收集水分呢？或许该项研究的成果在未来人类探索火星时也会得到应用。我认为，这个发现在仿生学方面是值得参考的。
冬季的北疆古尔班通古特沙漠 通常情况下，大多数人会在夏天、秋天或是春天去沙漠，很少人会选择在冬天去沙漠游玩，因此也少有人能见到沙漠中的雪景。这是北疆古尔班通古特沙漠被白雪覆盖的景象。 虽然我不是从事气候变化研究的，但我也在关注沙漠地区的积雪情况。我们注意到，在万物生长的季节，刚才所说的“皮肤”并未生长，而是处于休眠状态，它是干的，你用手一搓就碎了。 与此同时，别的植物在大量生长、繁衍。这些“皮肤”在干什么？为什么选择在这一时间段“睡大觉”？ 我们猜测，很可能有某个环节被我们忽略了，也就是在这个环节，它迅速生长。而这个没有被注意到的环节恰恰就是冬季，因为我们很少在冬季去沙漠。在冬季，古尔班通古特沙漠表面会有30～40厘米厚的积雪，并维持三四个月。
沙漠“皮肤”的秘密 我们把积雪拨开后，秘密就解开了：苔藓植物体上都带着冰晶，它们顶着满头的冰在“高兴”地生长。你们看，植株都是绿色的，绿色就意味着生长。那么，在这样恶劣的环境下，它们是如何生长的？ 在炎热的夏天，植物有耐旱基因发挥作用；在残暴的冬天，植物也自有耐寒基因来应对。这个小小的植物体内包含了很多非常宝贵的种质基因，正是因为这些基因，植物才能克服不利的环境条件生存下来。经过多年进化，这些脆弱的物种早已跟沙漠融为一体。 讲到这里，大家可能会说，沙漠“皮肤”真好，越多越好，如果整个沙漠都是它们就好了。但是，我要告诉大家，这是不行的。任何事物都有两面性，如果结皮大量生长，其他物种的生存空间就会迅速丧失。
不同植物种子形态 上图是我收集的生长在这个区域的一些植物的种子。我们看到，这些种子的形态大不相同，有些外面还有附属物——有的“戴着帽子”，有的“穿着衣服”，还有的“放着风筝”……此外，也有些种子在“裸奔”——什么附属物都不带。 我们猜测这种“裸奔”的种子可能更容易在“皮肤”上生存。因为它更容易掉到缝隙和孔隙当中，接触土壤，并开始萌发。种子一定要借助土壤才能保证它的生命力。如果脱离土壤太久，就会丧失生命力，而且也不能发育成单独的个体，长成一棵小草。 经过实验，我们发现，最初的假设成立，那些“拽着风筝”“戴着长帽子”的都不适合在这样的环境里生长。久而久之，该区域里具有这种特征的种子难以萌发，它所对应的植物因此会逐渐退出历史舞台，最终导致该区域植物多样性的下降。而某区域植物多样性的降低，意味着该区域的生态系统不够稳定。
尖喙牻牛儿苗种子穿透结皮 我们还发现了一个非常奇怪的现象：虽说带了很多附属物的植物在沙漠里不易生存，但在沙漠中那些长满“皮肤”的地方，出现了大量的绿色植物。更为奇怪的是，这些绿色植物的种子比我前面列举的植物种子还要怪异——它们的附属物很长、很大。它们就长这样，那层黑乎乎的东西还是结皮。 我们看到，图片右下角像子弹头一样的东西就是它的种子；从种子上伸出一个“旗杆”，“旗杆”顶上还有“羽毛”，这都是种子的附属物。 它是靠下面的“子弹头”来产生下一代植物的。把结皮拔起来，植物的种子就在里面。按理说，由于种子后面拖着长长的“旗杆”，在它落地之后应该被隔离在结皮外面才对，它是怎么进到结皮里面的呢？
尖喙牻牛儿苗种子进入土壤全过程 这是种子上部的附属物的示意图。在“羽毛”之前有一个螺旋，螺旋之后就是长长的“羽毛”。种子落地之后，在风力的作用下，它会在结皮上找到一些小的空隙，并落在空隙里。但因为后面拖着长长的“尾巴”，所以它没办法完全穿透结皮。 于是，它的“羽毛”开始发挥作用了，“羽毛”和种子之间有一个夹角，当有风吹来时，“羽毛”会旋转。同时，“羽毛”前面的螺旋受到水分的浸润时，会逐渐解开、伸直。再加上不断随风旋转的“羽毛”，种子最终能够完整地穿透结皮，进入土壤中。 从照片来看，“子弹头”表面是白色的，这是它的附属毛——种子毛，种子毛上全是倒刺，这就决定了种子行进的方向——只能往下走，而不能往上走，退回来，就像射出去的箭头一样。 上面的视频中，4颗种子已经穿透结皮进入到土壤中去了。随着风的吹拂，“羽毛”带着种子不断摆动、旋转。仔细观察，我们可以发现，种子的螺旋结构和它的羽毛结构以及它的运动，都使得种子能够很好地适应当下的环境。 所以，我们看到，在黑乎乎的结皮上生长着这样一些“明星”植物。这个植物长得很漂亮，而且也确实有独特的生存之道。 沙漠皮肤病 从上面的介绍我们知道，土壤结皮归根结底是个好东西。如果它不得“皮肤病”，一定能保护好沙漠这个主人。但对于如今的沙漠而言，患上“皮肤病”的确实不少。
沙漠“皮肤”斑驳 这个“皮肤病”来自于人类的干扰，其中有大型工程的干扰，有大型车辆的干扰，导致沙漠的“皮肤”斑斑驳驳，“疾病”久治不愈。另一方面，沙漠离不开结皮，没有它，沙漠就不稳定，会缺乏营养，失去调节者。放牧对沙漠结皮的破坏也很大，所以我们要加强对沙漠结皮的保护。 如今，沙漠旅游、沙漠徒步已逐步为“新兴人类”所关注，但大家不要忘记去沙漠徒步的时候，要尽量排成一队，尽可能不要大规模地破坏地表结皮，避免不文明行为。
美国拱门国家公园标语 最后，我想用美国拱门国家公园的招牌式标语结束演讲。这句话的意思是你踩在结皮上的这一个脚印，瞬间就可以将已经发育和生长了数百年的生命摧毁。 |
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