《科学》：寻找幽灵！科学家如何揭示放弃光合作用神秘植物的秘密

热点资讯 2025年10月10日 15:21 1 admin

信息来源：https://www.science.org/content/article/these-ghost-flowers-thrive-without-photosynthesis-one-scientist-learning-how

在日本奈良春日山的阴暗林下,一种近乎透明的白色花朵从腐叶层中悄然探出。它们没有绿色的叶片,不进行光合作用,却能在几乎没有阳光的森林深处顽强生存。这些被称为"幽灵植物"的神秘生物,正是神户大学植物学家末次健二过去二十年孜孜追寻的研究对象。

37岁的末次健二已成为全球菌异养植物研究领域最活跃的科学家之一。自2008年以来,他发表了约250篇学术论文,协助鉴定描述了30个新物种,其研究成果从根本上改变了科学界对这类罕见植物授粉、繁殖和生存策略的认知。这些成就的背后,是无数个在森林地表爬行搜寻、通宵架设相机陷阱、以及长达数年追踪观察单一物种的艰辛时光。

被忽视的生态位:菌异养植物的生存诡计

菌异养植物代表了植物界最极端的生存策略之一。在地球上已知的约40万种植物中,仅有约600种完全放弃了光合作用这一植物王国的"基本技能",转而依赖一种更为隐蔽的生存方式——从土壤真菌中窃取碳源和营养物质。

这种生存策略的运作机制颇为巧妙。森林土壤中的菌根真菌与树木形成共生关系:真菌的菌丝网络从树木那里获取光合作用产生的碳水化合物,作为回报,它们帮助树木吸收土壤中的磷、氮等营养元素。而菌异养植物则将自己的根系与这些真菌的菌丝紧密缠绕,劫持这条地下营养输送管道,从中截取本应流向真菌的碳源。

北安普顿大学生态学家杰夫·奥勒顿指出,正是这种"寄生"特性使得菌异养植物能够在光照稀缺的茂密森林底层生存。但这种生存策略也付出了代价:这些植物通常体型微小,每年仅在短暂的几天到几周内开花,其余时间完全隐藏在地下。它们的种群数量往往极为稀少,分布零散,这使得研究工作异常困难。

分子生物学研究显示,完全菌异养的生活方式在植物进化史上独立出现了至少40次,涉及石松类、蕨类、被子植物等多个主要类群。其中兰科植物占据了已知菌异养物种的近半数,这一现象暗示兰科植物可能具有某些使其更容易转向菌异养生活的遗传或生理特征。然而,关于这些植物如何完成从光合作用到完全依赖真菌的进化转变,以及它们如何在极端的生态位中维持种群繁衍,科学界仍知之甚少。

二十年磨一剑:重写物种鉴定规则

末次健二对菌异养植物的痴迷始于童年时期的一次偶遇。四五岁时,他在春日山原始森林中第一次看到那些半透明的"幽灵花",那次经历在他心中埋下了种子。但真正将这份好奇转化为系统研究,则始于他在京都大学读本科期间的一个观察:日本境内那些被归类为同一物种的幽灵兰,实际上在不同时间开花。

这个看似微小的差异引起了末次的警觉。如果开花期不重叠,这些种群之间就不可能发生自然杂交,那么将它们归为同一物种是否合理?这个问题促使他开始了长达二十年的追踪研究。

末次和他的团队仔细比对了日本各地幽灵兰种群的形态特征,发现除了开花时间外,它们在茎的质地、根系结构、花朵细节等方面都存在细微但稳定的差异。分子遗传学分析进一步证实了这些种群之间存在显著的基因分化。更关键的是,生态学调查显示,这些不同的种群与不同种类的菌根真菌建立共生关系,这意味着它们已经在生态上实现了分化。

2022年,末次团队正式将其中一个谱系描述为新种——雾岛兰。这项研究展示了现代植物分类学的新范式:不再仅仅依赖形态特征,而是整合形态学、遗传学、生态学和物候学等多方面证据,才能准确界定物种边界。中国科学院昆明植物研究所的任宗欣评价说,这个案例"是耐心造就优秀科学的典范"。

雾岛兰的发现也凸显了菌异养植物面临的保护困境。截至目前,研究者仅记录到10个种群,每个种群通常少于20个个体,使其在日本被列为极度濒危物种。考虑到这类植物的生存完全依赖特定的真菌伙伴和稳定的森林生态系统,森林砍伐、气候变化等因素都可能迅速导致它们灭绝。而在这些物种被科学界认知之前,可能已有更多类似的"幽灵"永远消失了。

相机陷阱下的生态革命:重新定义授粉与传播

菌异养植物研究中最大的挑战之一,是弄清这些稀有而短命的植物如何完成授粉和种子传播。传统观点认为,这些植物主要依赖风来传播微小的种子,而授粉者则可能是一些常见的飞行昆虫。但末次健二的野外观察成果彻底颠覆了这些假设。

他采用的研究方法看似简单,实则极其考验耐心和毅力。在菌异养植物短暂的开花和结果季节,末次在野外架设运动触发相机,日夜不停地记录访问这些植物的动物。在长达4年的时间里,他累积了190小时的夜间观察视频,最终捕捉到了令人惊讶的画面。

视频显示,在夜间访问这些"幽灵花"的并非飞行昆虫,而是在森林地表活动的驼蟋蟀和地面甲虫。这些节肢动物被植物的果实吸引,啃食果肉的同时吞下了大量微小的种子。末次随后在实验室中进行了消化道存活实验:他喂食驼蟋蟀含有种子的果实,然后收集并检测其粪便。结果显示,多达数百颗种子能够完好无损地通过驼蟋蟀的消化道,并保持发芽活力。相比之下,被地面甲虫摄食的种子则无一存活——甲虫强大的咀嚼式口器能够击破种子的木质外壳。

这项发表于2017年《新植物学家》的研究首次证实,驼蟋蟀是某些菌异养植物的重要种子传播者。梅尔滕斯研究所的植物学家文森特·默克斯称这是"一项了不起的发现",因为它揭示了一种此前完全未被认知的地面节肢动物与植物之间的互利关系。

末次的相机陷阱还记录到了更多出人意料的场景。一只蜘蛛正在某种兰花的花朵上取食花蜜,当它在不同花朵间移动时,花粉团粘附在它的口器上——这是蜘蛛为开花植物授粉的首个确凿证据。另一项研究发现,小型潮虫也能够摄食并传播某些菌异养植物的种子,这使得体长仅1厘米的潮虫成为已知最小的种子传播者。

或许最引人注目的发现是,驼蟋蟀和某些蚂蚁物种能够同时充当授粉者和种子传播者的双重角色。这些节肢动物在植物开花时访问花朵,在不同个体间传递花粉;当果实成熟后,它们又返回摄食果实并传播种子。这种"一揽子服务"的互利关系此前从未在任何开花植物中被记录。

这些发现不仅改写了科学界对菌异养植物繁殖策略的认知,也对植物传粉生态学理论提出了挑战。长期以来,飞行昆虫被视为植物授粉和基因交流的主要媒介,而地面节肢动物的作用则被大大低估。末次的研究表明,在森林底层这个特殊的生态环境中,地面动物可能扮演着比空中飞行者更为重要的角色。

末次还发现了菌异养植物应对传粉者稀缺的另一种策略——延迟自花授粉。一种名为Stigmatodactylus sikokianus的兰花展现出精妙的"两手准备"机制:花朵初开时结构开放,允许传粉者进入并实现异花授粉;但如果几天内没有传粉者来访,雌性器官柱头会主动塌陷,使一个微小的指状结构接触到花朵的雄蕊,从而完成自花授粉。这种机制既保证了在传粉者稀缺时的繁殖成功,又为偶尔的异花授粉保留了可能性,避免了持续近交可能带来的遗传衰退。

科学遗产:从专业研究到公众启蒙

末次健二的学术产出在植物学领域堪称异类。在科研日益专业化、细分化的今天,他的研究横跨植物分类学、系统学、生态学、昆虫学、生理学和分子生物学等多个领域。这种"文艺复兴式"的研究风格,使他能够从多个角度审视同一个科学问题,也让他在不同学科的交叉地带发现了大量此前被忽视的现象。

末次在神户大学的职业发展轨迹同样引人注目。2014年获得博士学位后,他仅用8年时间就在34岁时晋升为正教授,成为神户大学理学院史上最年轻的正教授。中国科学院的任宗欣评价他为"植物学和传粉生态学领域最多产的作者"之一。

但末次的影响力不仅限于学术圈。他与一群热情的业余植物爱好者保持着密切合作,这些"公民科学家"在日本各地的野外考察中提供了大量宝贵的观察数据和标本信息。梅尔滕斯研究所的路易莎·特谢拉-科斯塔认为,末次的工作"对于激发人们对自然世界的惊奇和好奇至关重要"。

末次目前正在创作一本面向儿童的科普读物,书中将配以他自己拍摄的精美植物照片。这个项目反映了他的一个信念:科学发现的喜悦不应该被锁在象牙塔中,而应该传递给更广泛的公众,尤其是年轻一代。正如他童年时期被"幽灵花"的神秘所吸引,他希望今天的孩子们也能从这些奇特的生命形式中感受到自然的魅力,或许其中就有未来的植物学家。

在气候变化和栖息地丧失威胁着全球生物多样性的今天,末次健二的工作提醒我们:即使在被研究了数百年的温带森林中,仍然隐藏着大量未知的物种和生态关系。这些"森林幽灵"的存在,是自然界复杂性和适应性的生动例证。而发现、理解和保护它们,需要的不仅是先进的技术,更需要末次所展现的那种坚持不懈的好奇心和对自然的敬畏之心。