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花兒為什么這樣紅？解讀花朵進(jìn)化奧秘
[日期：2009-10-19] 來(lái)源：科技日?qǐng)?bào) 作者： 發(fā)表評(píng)論(0)打印
第一朵花何時(shí)在地球上出現(xiàn)？花兒家族為何擁有如此多“千嬌百媚”的成員？……這些問(wèn)題不僅難倒了查爾斯·達(dá)爾文，也讓很多科學(xué)家前赴后繼地進(jìn)行研究，最新發(fā)現(xiàn)的一些化石和科研結(jié)果對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了解答。
 花兒進(jìn)化史困擾達(dá)爾文 查爾斯·達(dá)爾文終其一生都喜歡讓自己身處鮮花的包圍中。10歲時(shí)，他觀察并且記錄下了父親花園中每一朵牡丹花盛開(kāi)時(shí)的景象。當(dāng)他擁有了自己的家庭后，他將自己的庭院改造成為一個(gè)花花草草的“樂(lè)園”，在這里，一直到他去世，他都在同花朵打交道。 然而，盡管達(dá)爾文同花兒進(jìn)行了如此親密的接觸，非常熟悉花兒的習(xí)性，但他也在筆記中寫(xiě)到，花兒的進(jìn)化“充滿(mǎn)了神奇的色彩”。 達(dá)爾文自己可能也注意到了，開(kāi)花植物在地球上非常成功�；▋菏堑厍蛏匣钪闹参镂锓N大家族中的主要成員，也是世界上大多數(shù)生態(tài)系統(tǒng)的支配者，同時(shí)也是農(nóng)場(chǎng)的“主要居民”。玉米、稻谷和小麥等開(kāi)花植物都是人類(lèi)食物的主要來(lái)源。從端莊典雅的玫瑰到幽香撲鼻的蘭花再到潔白恬淡的馬蹄蓮，花兒因其形狀和色彩的豐富多樣而深受人們的喜愛(ài)。 然而，化石記錄并沒(méi)有給達(dá)爾文提供花兒早期進(jìn)化的線索。在達(dá)爾文所生活的時(shí)代，最古老的開(kāi)花植物的化石來(lái)自于1億年前到6600萬(wàn)年前之間的白堊紀(jì)形成的巖石。古生物學(xué)家已經(jīng)找到了各種各樣的開(kāi)花植物，但是沒(méi)有發(fā)現(xiàn)最原始的開(kāi)花植物。 1882年，達(dá)爾文去世，隨后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，花兒的進(jìn)化史一直困擾著科學(xué)家。但現(xiàn)在，隨著一些新的研究成果的出現(xiàn)，科學(xué)家對(duì)花兒家族的進(jìn)化史似乎有了更深一步的了解。美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家威廉·弗里德曼說(shuō)：“越來(lái)越多科學(xué)家開(kāi)始研究花兒，也取得了一些成就，可能會(huì)有重大突破�！� 新化石的發(fā)現(xiàn)讓科學(xué)家非常興奮，科學(xué)家也在活著的花兒和它們的基因中發(fā)現(xiàn)了足夠的線索，同時(shí)，他們也正在破譯不同花兒的植物DNA密碼�？茖W(xué)研究表明，千姿百態(tài)的花兒同我們的眼睛和四肢一樣，采用同樣的方式進(jìn)化：對(duì)舊的基因進(jìn)行重組和改造來(lái)適應(yīng)新的任務(wù)。 最近，在花兒同其他植物有何關(guān)系的問(wèn)題上，科學(xué)家們眾說(shuō)紛紜。尤其是隨著科學(xué)家們對(duì)植物DNA的研究越來(lái)越深入，花兒與植物之間的親屬關(guān)系也越來(lái)越明晰。加州大學(xué)戴維斯分校的古植物學(xué)家詹姆斯·多伊爾說(shuō)：“在這個(gè)問(wèn)題上，科學(xué)家們的看法不一樣，其中的一些已經(jīng)被事實(shí)駁倒�！� 例如，現(xiàn)在我們都清楚地知道，花兒最近的親屬是只結(jié)果不開(kāi)花的植物，包括松樹(shù)和銀杏等。然而，這些植物之間的關(guān)系也非常密切，它們同花兒的關(guān)系都差不多。 1.36億年前的花朵小巧簡(jiǎn)單 可能記載了花兒出現(xiàn)時(shí)的最初生命狀態(tài)的植物在幾百萬(wàn)年前或許就已經(jīng)滅絕。多伊爾說(shuō)：“只有通過(guò)化石才能找到它們�！� 在過(guò)去的幾年里，科學(xué)家已經(jīng)將開(kāi)花植物的化石記錄追溯到了大約1.36億年前�？茖W(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了一些神秘的已經(jīng)滅絕的種子植物的化石，其中的一些植物在看起來(lái)有點(diǎn)類(lèi)似花兒的結(jié)構(gòu)中結(jié)出果實(shí)。 但是，最令人感興趣的化石往往也是破碎程度最大的化石，因此，在其中哪些化石可能同花兒的關(guān)系最密切這個(gè)問(wèn)題上，古植物學(xué)家產(chǎn)生了嚴(yán)重的分歧。 但是，在花兒自身的早期進(jìn)化這個(gè)問(wèn)題上，科學(xué)家們?nèi)〉昧斯沧R(shí)。通過(guò)研究很多開(kāi)花植物的DNA，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一種名叫互葉梅的灌木是花兒家族最古老的成員。互葉梅僅僅在新喀里多尼亞島和南太平洋才有。在目前活著的開(kāi)花植物中，水仙花和八角茴香是僅次于互葉梅的最古老的物種。 如果你能夠返回到大約1.3億年前，你可能對(duì)這些最古老的花兒不屑一顧。多伊爾說(shuō)：“誰(shuí)也不會(huì)想到這些花兒會(huì)四處播種，產(chǎn)生后代�！� 這些早期的花朵個(gè)子?jì)尚《液苌僖?jiàn)，生長(zhǎng)在長(zhǎng)得更加茂盛的無(wú)花植物的陰影里。花兒經(jīng)過(guò)幾百萬(wàn)年的努力才迎來(lái)其全盛時(shí)期。大約1.2億年前，一批新的花兒進(jìn)化出來(lái)，并開(kāi)始在許多森林里取得統(tǒng)治地位，同時(shí)演化出千姿百態(tài)。 這批花兒的家族囊括了目前地球上99%的開(kāi)花植物，從木蘭花到蒲公英再到南瓜。花兒品種變得越來(lái)越豐富，留下的化石的種類(lèi)和形狀數(shù)目繁多，讓達(dá)爾文也迷惑不已。 從互葉梅開(kāi)始，所有花兒的基本結(jié)構(gòu)都一樣。幾乎所有的花兒都擁有花瓣或者類(lèi)似于花瓣的植物，最原始的花兒可能都像現(xiàn)在的互葉梅一樣小巧而簡(jiǎn)單。 后來(lái)，在第六代，花兒變得越來(lái)越復(fù)雜。在進(jìn)化中，花瓣開(kāi)始一圈圈地向外延展，花瓣因此變得越來(lái)越大、越來(lái)越鮮艷。外圈通常是綠色，這種像葉子一樣長(zhǎng)出的外圈通常叫做萼片，在花兒處于萌芽狀態(tài)時(shí)，萼片就是花兒的“守護(hù)神”。 根據(jù)這一最新發(fā)現(xiàn)，花瓣與花瓣之間似乎也并不相同。比如說(shuō)，龍爪樹(shù)花進(jìn)化出花瓣的方式同玫瑰花進(jìn)化出花瓣的方式就不一樣。但是，組成花兒的基因似乎表明，情況遠(yuǎn)不止于此，還有更多的奧秘等待解答。 基因變異讓花兒千嬌百媚 在上世紀(jì)80年代晚期，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)了控制花兒生長(zhǎng)的基因。現(xiàn)在，科學(xué)家正在研究一種名叫擬南芥（科學(xué)家將這種植物稱(chēng)為植物界的“小白鼠”）的小型植物�？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，基因突變可能引起奇怪的變化。許多基因變異導(dǎo)致花瓣生長(zhǎng)在雄蕊的“地盤(pán)”；另外一些基因變異將花瓣的內(nèi)圈變成外圈的萼片；其他變異將萼片變成葉子。 這個(gè)發(fā)現(xiàn)具有重大意義，它證實(shí)了德國(guó)詩(shī)人歌德最先提出的一個(gè)想法，歌德不僅寫(xiě)出了鴻篇巨制《浮士德》，也認(rèn)真地研究了植物。 1790年，歌德撰寫(xiě)了一篇在今天看來(lái)很有遠(yuǎn)見(jiàn)的文章《植物形態(tài)學(xué)》。在這篇文章中，他認(rèn)為，包括花兒在內(nèi)的所有植物器官都始于葉子。他寫(xiě)到：“從頭到腳，植物剛開(kāi)始只不過(guò)是一片葉子。” 200多年以后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，基因變異能夠?qū)е赂璧滤A(yù)見(jiàn)的那種巨大的變化。過(guò)去的20年間，科學(xué)家一直在研究這些基因變異如何在普通的開(kāi)花植物上起作用。 基因給能夠開(kāi)啟其他基因的蛋白質(zhì)編碼來(lái)開(kāi)啟或者關(guān)閉其他基因。這些基因組合在一起，能夠長(zhǎng)出擬南芥的花瓣或者其他部分。 科學(xué)家正在研究這些基因，以弄清楚新的花兒是怎樣進(jìn)化出來(lái)的。他們發(fā)現(xiàn)，組成擬南芥的基因也出現(xiàn)在互葉梅等其他物種中，在很多情況下，這些基因在不同的花兒家族中進(jìn)行復(fù)制，這種復(fù)制帶有一定的偶然性。 然而，找出了組成花兒的基因，并不意味著科學(xué)家就知道了它們?cè)诨▋撼砷L(zhǎng)過(guò)程中所扮演的角色。為了回答這個(gè)問(wèn)題，科學(xué)家需要進(jìn)一步研究植物基因，但是，沒(méi)有植物像擬南芥那樣好“擺弄”，因此，相關(guān)研究現(xiàn)在才剛剛開(kāi)始。 耶魯大學(xué)的進(jìn)化生物學(xué)家薇薇安·艾瑞西和同事正在研究怎樣“擺弄”罌粟，因?yàn)椤袄浰诨ò甑倪M(jìn)化過(guò)程并不一樣”。 她的團(tuán)隊(duì)通過(guò)關(guān)閉其中一些基因的方式找到了組成花兒的基因。 最終的結(jié)果表明，組成罌粟花的基因同組成擬南芥花的基因密切相關(guān)。例如，在擬南芥中，名叫AP3的基因控制花瓣和雄蕊的生長(zhǎng)。罌粟花中也有相應(yīng)的基因，叫作古AP3。但是，艾瑞西團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)基因的影響不一樣。關(guān)閉擬南芥的AP3基因會(huì)改變花瓣；關(guān)閉罌粟花的AP3基因會(huì)改變雄蕊。 艾瑞西說(shuō)，這個(gè)結(jié)果表明，雖然同類(lèi)基因控制這兩種花瓣的生長(zhǎng)，但是，罌粟花上的花瓣與擬南芥的花瓣的進(jìn)化方式并不一樣。 如果艾瑞西的結(jié)論正確，花兒將采用和我們自己的眼睛等器官一樣的方式進(jìn)化。例如，我們的腿與飛蛾的腿的進(jìn)化方式不一樣，可能基因是一樣的，許多同樣的基因進(jìn)化出不同的腿。 艾瑞西說(shuō)：“我認(rèn)為，動(dòng)物和植物擁有同樣的進(jìn)化策略這一點(diǎn)很酷，盡管它們使用的基因不同�！比欢�，她對(duì)于花瓣的研究只是冰山一角，她說(shuō)：“在花兒生長(zhǎng)的過(guò)程中，會(huì)發(fā)生很多事情�！被▋簳�(huì)進(jìn)化出新的性別器官。松樹(shù)有雄球花和雌球花，雄球花位于新梢的基部，雌球花大多數(shù)見(jiàn)于主枝的軸端。而花朵的雄性器官和雌性器官則在同一軸線上。 一旦這些性別器官相遇，它們將經(jīng)歷一個(gè)人類(lèi)裸眼看不見(jiàn)的變化，這個(gè)變化可能就是花兒在植物界取得支配地位的原動(dòng)力。 其他專(zhuān)家也同意這種轉(zhuǎn)變的存在，但是，他們并不確信這是否花兒成功的秘密。 弗里德曼解釋說(shuō)，胚乳中擁有一套單個(gè)的雌性DNA的簡(jiǎn)單花兒，比如水仙花等，開(kāi)始于位于胚囊一端的單個(gè)的原子核。隨后，原子核分裂，核移動(dòng)到胚囊的中部變成胚乳的一部分。 后來(lái)，玫瑰花或者罌粟花上開(kāi)始出現(xiàn)變異，單個(gè)的原子核開(kāi)始在囊的一端生長(zhǎng)。當(dāng)原子核分裂時(shí)，原子核朝著胚囊的另一端移動(dòng)，兩端的原子核各自分裂，每一端的原子核都移動(dòng)到中部。 因此，一個(gè)簡(jiǎn)單的復(fù)制過(guò)程讓花兒變得越來(lái)越復(fù)雜，而且衍生出千嬌百媚的各式花朵。 弗里德曼說(shuō)：“自然界不僅創(chuàng)造出萬(wàn)事萬(wàn)物，而且用最簡(jiǎn)單的方式創(chuàng)造了奇跡，它們并不艱澀，也不神秘，歌德早已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)�！�
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