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仙人掌和大戟科，沙漠中的阻击

花匠小妙招
2024-12-16 01:38

　　在拍摄《寻秘自然》第一季的时候，我们团队曾经在广东省惠州市进行过取景。第二天晚餐的时候，为了帮我们缓解疲劳，负责本地接待工作的朋友——也是我们科学声音科普写作训练营的学员何慧中——他就专门给我们点了一碗只有在广东才能喝得到的养生汤。

　　汤的味道非常鲜美，用料也相当讲究。我认出了汤里的猪棒骨、甜杏仁、苦杏仁、蜜枣、黑枣还有无花果干。但是有一种纤维很长，吃起来口感有点儿像是金针菇的东西，大家都叫不出名字来。后来慧中公布答案后，我们才知道，这碗汤的名字，就叫做霸王花猪骨汤。那些又细又长，口感类似金针菇的纤维，正是霸王花的雄蕊。

　　霸王花是仙人掌科植物“量天尺”开的花。这些花的花瓣就有15-20厘米长，完全绽放的时候，花朵的直径可以达到30多厘米，看起来非常霸气，所以才被称之为霸王花。如果你对量天尺和霸王花都不熟悉，那它的另一个名字你一定很熟悉，那就是火龙果。

　　很多人都以为，量天尺、霸王花、火龙果是三种完全不同的植物。其实，它们刚好分别对应着同一种植物的茎、花和果实。火龙果原产于墨西哥和中美洲的一些地区。在它们的原生地，火龙果是依靠蝙蝠进行授粉的。在火龙果被当作水果移栽到我国之后，就没有能给它们授粉的蝙蝠了，如果不给它们进行人工授粉，火龙果就无法结出果实来。这些不结果子的火龙果花，就是霸王花。不在花期的霸王花，看起来就像是一节一节的尺子，于是人们就叫它量天尺。

　　我们都知道，仙人掌有着出众的耐旱本领。这种耐旱的本领，是与他们一系列专门针对沙漠环境的创新发明是分不开的。从量天尺的身上，我们就能观察到它们的第一项创新发明，那就是能在沙漠里屹立不倒的本领。

　　你可能会问，植物不都是立着不倒的吗？能够立着不倒能算是什么新发明呢？在水分充足的环境里，立着不倒确实算不了什么，但是在沙漠里，这还真是一个必须解决的大问题。

　　咱们可以拿黄瓜来举个例子。你可以把一根黄瓜想象成生长在沙漠里的仙人掌。当黄瓜在新鲜的时候，它的每一个细胞里都充满了水分，这些水分给细胞壁提供足够大的压力，让整根黄瓜保持着固定的形态。所以，新鲜的黄瓜，是能够直立起来的。

　　但是，如果你把黄瓜放在太阳下暴晒，黄瓜细胞中的水分就会逐渐失去。失去水分的黄瓜细胞也会随之变软。当足够多数量的黄瓜细胞都变软之后，黄瓜就打蔫儿了。当黄瓜里的水分散失得差不多了，它就会变成一根蔫黄瓜，瘫软下来了。

　　仙人掌科的植物，一般都生活在干旱地区。在干旱地区，全年的降雨都是非常不均匀的。旱季的时候，常常连续几个月一滴雨都不会下。那些高大的仙人柱要面对着暴虐的阳光和50多度的高温，而且接连几个月一滴水都没有。你想想看，即便仙人掌保持水分的能力再强，几个月里也是要消耗掉非常多的水分的。有研究表明，在旱季结束的时候，一些仙人柱的体重会下降到旱季开始时的一半。

　　但是，你觉得这些仙人柱会打蔫、变软，最后像蔫黄瓜一样倒下来吗？当然不会的，它们会稳稳的立在沙漠上，直到雨季的来临。

　　让那些高大的仙人掌屹立不倒的秘诀是它们的棱。咱们还用量天尺来当作例子。量天尺的茎部形状，就像是一个三棱柱。如果你把量天尺的茎部横着截断，就能看到一个标准的等边三角形。等边三角形的三个顶点对应的，就是量天尺的三条棱。在等边三角形的正中心，有一根木心，这就是量天尺的维管束。量天尺根部吸收的养分，就是通过这根木心在体内传递的。木心周围的肉质组织，就是用来储存水分的细胞。

　　大多数仙人掌科的植物，都有这种“棱”的结构。如果你观察过仙人球或者仙人柱，你会发现它们的表面都会分成一道一道的棱。量天尺的棱有三条，有一种名叫蓝天柱的仙人掌有4条棱，仙人掌科里专门有一个属，名叫多棱玉属，你听这个名字就知道，它们的棱都很多。有的多棱玉，身上有五六十条棱。

　　在缺水的环境里，三棱柱里面储藏的水分就会被提取出来，用于维持生存。随着水分的散失，等边三角形的三条边就会向内凹陷，变成一个奔驰标志的样子。这时候，三棱柱在表面积没变的情况下，体积就变小了。剩余的细胞，仍然充满着水分，提供着足够的支撑力。而且，还有一点很重要，就是仙人掌中心的木心与它的棱，呈现出一种中心对称的结构。仙人掌无论怎么失水，都会维持着一个中心对称的形状，不会像打蔫的黄瓜一样倒向一边。

　　仙人掌的体内，有90%都是水。如果把植物比作是一家公司，那么水分就是公司的资金。仙人掌这种半年有生意，半年没生意做的公司，在有生意的时候积累足够的现金是非常必要的。在没有生意的时间里，仙人掌能够做到节约资金，平衡发展，确保在没生意做的时间里能够存活下来。作为一种大量储存水分的草本植物，它们能生长到几十米高，与它们这种有棱的身体结构绝对是分不开的。

　　但是，这种棱的结构，并不是仙人掌的专利。在遥远的非洲大陆上，有另外一种植物，具有着与仙人掌非常类似的外观。它们也有柱形的茎部，茎部外面也长着数量不等的棱。这就是大戟科的多肉植物。

　　有一种名叫三角大戟的大戟科植物，它们的形态就与量天尺非常相似。如果我们把三角大戟的茎部切开，就能看到相同的等边三角形截面。

　　大戟科与仙人掌科并不是亲戚，它们的基因在进化树上并不存在继承关系。棱的结构，是这两大类植物，在漫长的年代中，自然演化的结果。如果某种植物体内的含水量会随着季节发生剧烈的变化，那么，让茎部的截面长成一种多棱的形状，就是一种很有优越性的解法。棱的结构，在大戟科植物和仙人掌科植物的身上，独立地演化了两次。

　　当然，在沙漠这种恶劣的环境里，光是能站得稳，肯定是不够的。更为重要的，是要想尽办法减少水分的散失。

　　从数学的角度来讲，保持水分最关键的问题，是控制住叶片表面积与体积的比例。

　　一个高20厘米的直筒玻璃杯，装满水之后，水与空气接触的面积就只有杯口那么大。在上海地区，大约需要2个月时间，这杯水才能彻底蒸发掉。但是，如果你把这杯水泼在地上，用不了半个小时，水就彻底干了。如果你能把这杯水雾化，然后喷洒在空气中，只需要几秒钟，水就能彻底变成水蒸气跑掉。其中的差异，就是水与空气接触表面积的不同。

　　仙人掌想减少水分的蒸发，自然要先向叶子下手。它们先是把叶子变得越来越小，越来越细。新长出来的仙人掌叶子，还有一点点嫩芽的形态，但是越是成熟的仙人掌躯干，叶子也就越发的变形，最后，这些叶子都会变成木质化的尖刺，再也不会消耗水分了。

　　叶片变成刺状当然可以减少水分蒸发，但叶子本身的重要功能，也就是光合作用也就无法进行了。仙人掌的方案，就是把储存水分和进行光合作用的任务，全部交给原本只是进行养分运输和身体支持的茎部。这样的结构简化，既可以减少水分运输的路径长度，同时也能让尖刺来保护充当水分仓库的茎部。那些想要偷吃仙人掌的动物们，想要啃食仙人掌的茎，就免不了被仙人掌的刺扎伤。

　　大戟科多肉植物看起来也有尖刺，也没有叶子，但这种形态的形成机制却与仙人掌不同。大戟科多肉植物的叶子与正常的叶子没有什么不同。新叶长出之后，如果气候干旱，它们就会很快脱落。如果正处在水分充足的季节，这些叶子则会存活很久，才慢慢脱落。大戟科植物的尖刺也不是它们的叶子，那些刺是叶子下面的托叶特化而成的。

　　但是，不管怎么说，仙人掌与大戟，为了同样的目标，最终都表现为相似的外在形态。

　　但是，仅仅放弃叶片还是不足以锁住水分。因为只要仙人掌还在进行光合作用，就必然需要水和二氧化碳来作为原料。水保存在仙人掌的体内，随时都可以提取出来使用。但二氧化碳怎么办呢？空气中有用不完的二氧化碳，但是，仙人掌想要吸收二氧化碳，就必须打开气孔。一打开气孔，体内的水分就会立即散失出去。这简直就是一个难以解决的悖论。

　　从美国西部的加利福尼亚湾一直到南美洲的智利，大大小小分布着很多个沙漠，这里是仙人掌的故乡。在夏季的时候，暴虐的阳光会把仙人掌的表皮加热到超过50℃，而仙人掌脚下的沙地，温度则会高达70℃。

　　沙漠里生活的动物绝对不会选择在白天出来活动。它们会等到太阳下山之后，再出来活动。仙人掌在漫长的演化过程中，也找到了应对烈日的办法。它们会在凉爽的夜晚打开气孔，把空气中的二氧化碳吸收进来，然后经过一系列复杂的化学反应，把二氧化碳储存在有机酸当中。第二天白天，有机酸中的二氧化碳被重新释放出来。这样，光合作用就能顺利地进行了。这个夜晚吸收二氧化碳，白天用于光合作用的方式，名叫景天酸代谢。

　　景天酸代谢是一种非常巧妙的固定碳元素的方式，它能够让植物打开气孔的时候躲开强烈的阳光，从而避免体内水分的散失。这简直就是为了节约用水而特殊设计出来的方案。

　　大戟科的多肉植物，采用的也是景天酸代谢这一方案。除了仙人掌科和大戟科植物，景天酸代谢还广泛存在于景天科、芦荟科、龙舌兰科这类耐干旱的多肉植物当中。但是，很有趣的是，所有这些多肉植物，它们之间的亲缘关系都很远。它们并没有一个率先演化出景天酸代谢的共同祖先。换句话说，景天酸代谢这种超级复杂的固碳方式，竟然被重复发明了很多次。这很可能比动物们重复发明眼球这种结构的复杂度还要高。虽然在不同植物的体内，景天酸代谢的化学反应并不完全相同。但是，从宏观上看，这些解决方案仍然是高度相似的。

　　同样作为沙漠环境的拓荒者，仙人掌和大戟都不能满足于节约，它们必须有能力在雨水来临的时候，用最快的速度收集水分。沙漠中的土壤，保水的能力是特别差的。雨水一旦落在沙地上，就会迅速下渗，哪怕吸收的速度稍微慢点儿，都会浪费大量的水分。

　　不知道你还记不记得，咱们前面有一期节目，讲的是沙漠三杰，胡杨、梭梭和柽柳的故事。这几种树之所以能在沙漠里生存，是因为他们的根系能够扎到几米甚至十几米深的地下水层，去吸收水分。

　　但是，仙人掌的策略，与胡杨、梭梭和柽柳完全不同，仙人掌的根系也很长，但是它们的根系并不往深处扎，它们是在浅层沙土中横向生长的。一棵高大的仙人柱的根系，会在水平方向上织成一张大网，覆盖几百平方米的沙地。一旦开始下雨，几百平方米的网状根系，就会把整片沙地中渗入的雨水一扫而光，全部收集起来。

　　大戟科植物的根系策略与仙人掌略有不同，它们的的广度不如仙人掌，但根系的深度比仙人掌略深。造成这些差异的原因，是因为生活在南非和东部非洲的大戟科多肉植物，它们所处的环境没有南美洲的沙漠那么干旱。那里的降雨量要远高于南美洲的沙漠地区，干旱的原因，只不过是土壤的蒸发量远远大于降水量罢了。

　　这种情况下，水分是可以在较深层的土壤中存留一段时间的，大戟科的多肉植物吸收水分的需求也不像仙人掌们那么急迫。它们可以在下雨后的几天内，更加从容不迫的吸收水分。所以你看，即便是趋同演化，也会因为环境上的一点点区别，就走上不同的发展道路。

　　由于缺乏足够的化石证据，植物学家们直到现在，也没有最终确定仙人掌科植物是从何时何地诞生的。但根据仙人掌的地理分布情况，我们还是能判断仙人掌首先出现在美洲沙漠，随后才向旧大陆逐渐传播的。

　　在哥伦布发现美洲新大陆之前，只有一类名叫丝苇的仙人掌，生活在南部非洲和斯里兰卡的雨林中。从基因证据可以得知，丝苇属的仙人掌，的确就是南美洲仙人掌的后代。植物学家们猜测，丝苇属的仙人掌很可能是通过鸟类，从巴西的雨林里传播出来的。除此丝苇属的仙人掌之外，其他种类的仙人掌，都是通过人类的航海活动，才逐渐传往世界各地的。

　　丝苇属仙人掌的形态，看起来很像是一根根去掉了叶子的竹子。很有意思的是，大戟科也有一类与丝苇属仙人掌外型酷似的植物，那就是光棍树。光棍树的有些园艺品种，与丝苇属的仙人掌极其相似，有时候，连专业的花农都需要仔细观察，才能把两者区分开来。

　　丝苇属仙人掌可能的祖先，是生活在巴西热带雨林里的附生仙人掌。如果我给你举一个附生仙人掌的代表品种，你肯定会很熟悉，那就是我国花市里随处都能买到的蟹爪兰。蟹爪兰的生活是热带雨林，那里水分充足，光线却相对较弱，这与传统的仙人掌生活的环境大相径庭。

　　对于这类环境，蟹爪兰的应对策略是让茎部变得扁平，分支也变得更多，这样就让茎部的受光面积变得尽可能的大。蟹爪兰依然没有传统的叶片，但是，远远的看起来，它们扁平的茎部长出了很多分枝，看起来已经越来越像叶子了。在潮湿多雨的环境里，蟹爪兰改变了自己的形态，它们重新发明了叶子。

　　仙人掌科的植物里，重新发明叶子的现象还不在少数。

　　仙人掌科里面有个仙人掌属，这里面的植物，它们的茎部都是一个一个扁平的椭圆形。其实，仙人掌这个名字，就来自于这个属的形态。这种形态的仙人掌，多数都生长在沙漠边缘的半干旱荒漠地带。它们没有那些仙人柱那么缺水，所以，片状的茎部就能更好的光合作用，帮助它们以较快的速度生长。这些椭圆形的茎部，其实也是一种被重新发明的叶子。

　　还有一种情况更有趣。你如果仔细观察过仙人球，你会发现，很多品种的仙人球的刺都长在一个肉质的凸起上面。有些仙人球刺座位置的肉质凸起非常明显，看起来就像是一根一根的绿色手指长在仙人球上，而它们的刺，就长在绿色手指的末端。这些绿色手指的作用，不用我说，你也能猜到，那就是增大茎部表面积，好让更多的表皮细胞可以进行光合作用。仙人掌科里有一个属，叫做乳突球属，这个属中的植物，全都是这类形态。这其实也是在重新发明叶子。

　　不过，上面这些重新发明叶子的行为，比起我现在要说的，都算不得什么了。仙人掌科里还有一个属，叫做岩牡丹属。这个属里面的植物，把增大光合作用面积这件事儿做到了极致。

　　它们茎部的肉质凸起干脆就张成一片叶子的形状，这些假的叶片层层叠叠的生长在一起，看起来就像是一朵岩石雕刻成的牡丹花。如果你指着岩牡丹茎部伸出来的肉质凸起，去问身边的人，这是植物的什么部位，我相信你大概率的会得到“这是叶子”的答案。看到它们的样子很难让人相信，这些并不是真的叶子，这只是仙人掌在演化的过程中全新的发明创造而已。

　　仙人掌科的植物，最初为了在干旱的沙漠中生存，进行了一系列的演化。但是，当它们完全成为沙漠中的王者之后，逐渐开始像其他领域拓展了。这很像是那种独角兽型的创业公司。它们先是在一个垂直领域异军突起，一骑绝尘，等到完成了最初的资本积累之后，又逐渐开始向相关的领域拓展自己的业务。沙漠中的仙人掌有着最极致的保水手段，但到了高山或者荒漠地带，则重新发明了叶子，适应当地的环境。最后，连热带雨林里，都有了它们的一席之地。

　　相比之下，大戟科的植物则更像是一个实力雄厚的大集团，它们本来就已经凭借着强大的实力，占领了很多个行业。现在，它们看到了仙人掌的成功，发现干旱地带也是有利可图的，于是就自我改造成适应干旱地区的模样，在沙漠边缘分了一杯羹。

　　对于仙人掌和大戟来说，沙漠环境就像是一个围城。占领了全世界的大戟科植物想要冲进去，但已经占领沙漠的仙人掌却想要冲出来。如果植物们也能像创业者一样思考，了解了自身的境况，不知道他们会作何感想。

　　在今天的故事中，与仙人掌争夺同一生态位的大戟科多肉植物，其实只是大戟科植物中很小的一部分。大戟科植物凭借着他们有毒的白色乳汁而独步天下，无论微生物、昆虫还是食草动物，见到大戟，都要让它三分。但是，就是这些剧毒的植物，却成了人类的朋友。下一期节目，我为你准备了大戟科植物的番外篇，咱们好好讲讲大戟科植物的故事。

　　咱们下期再见。

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