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[转载] 沙漠竟然也会得“皮肤病”,怎么治?
我是小可爱啊 楼主
2021-05-05 15:53 20225 1
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来源:格致论道讲坛 


大家好,我今天想通过一个对大家既熟悉又陌生的故事,分享我们的科研经历,让大家了解我们大自然。


今天我带来的演讲题目是沙漠皮肤,我想沙漠大家非常熟悉,皮肤也非常熟悉,那么这两个名词放到一起的时候,可能很多人就要问了,沙漠也有皮肤吗?沙漠的皮肤长什么样呢?沙漠的皮肤能像人类的皮肤一样去保护沙漠吗?


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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。


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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。


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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。


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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。


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沙漠的苔藓植物


从上图可以看出来,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。


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遇水后由“黑”变“绿”


这个动图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,我发现这些黑乎乎的东西,就是刚才我们在动图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?


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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。



 思想晚餐  


已完成:30% //////////


什么是沙漠皮肤


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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。


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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。


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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。


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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。


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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。


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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。


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“沙漠皮肤”中比较简单的生物


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”


可能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”。


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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。下方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。


经过计算可知,这些结构是水分子在物体表面形成水膜的最佳配置。所以,植物非常非常神奇,这些都是它通过自然选择,不断进化出来的。


研究发现,这种结构表面有很多运河式的沟槽,这些微米级的结构非常有利于植物发挥表面毛细管作用,有利于水滴向下运输。


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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。


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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。


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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。


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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。


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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:虽说很多种子带了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?


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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,种子毛具有倒刺结构,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。



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。


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在“沙漠皮肤”上生长的“明星”


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。


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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。


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美国拱门国家公园标语

One footprint into the biological soil crust can destroy hundreds of years of growth instantly!

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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名字就是帅
1楼
2021-05-06 14:23
很好的冷知识
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