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花兒為什么這樣紅？解讀花朵進化奧秘
第一朵花何時在地球上出現？花兒家族為何擁有如此多“千嬌百媚”的成員？……這些問題不僅難倒了查爾斯·達爾文，也讓很多科學家前赴后繼地進行研究，最新發現的一些化石和科研結果對這些問題進行了解答。
 花兒進化史困擾達爾文 查爾斯·達爾文終其一生都喜歡讓自己身處鮮花的包圍中。10歲時，他觀察并且記錄下了父親花園中每一朵牡丹花盛開時的景象。當他擁有了自己的家庭后，他將自己的庭院改造成為一個花花草草的“樂園”，在這里，一直到他去世，他都在同花朵打交道。 然而，盡管達爾文同花兒進行了如此親密的接觸，非常熟悉花兒的習性，但他也在筆記中寫到，花兒的進化“充滿了神奇的色彩”。 達爾文自己可能也注意到了，開花植物在地球上非常成功。花兒是地球上活著的植物物種大家族中的主要成員，也是世界上大多數生態系統的支配者，同時也是農場的“主要居民”。玉米、稻谷和小麥等開花植物都是人類食物的主要來源。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。 然而，化石記錄并沒有給達爾文提供花兒早期進化的線索。在達爾文所生活的時代，最古老的開花植物的化石來自于1億年前到6600萬年前之間的白堊紀形成的巖石。古生物學家已經找到了各種各樣的開花植物，但是沒有發現最原始的開花植物。 1882年，達爾文去世，隨后的很長一段時間內，花兒的進化史一直困擾著科學家。但現在，隨著一些新的研究成果的出現，科學家對花兒家族的進化史似乎有了更深一步的了解。美國科羅拉多州立大學的進化生物學家威廉·弗里德曼說：“越來越多科學家開始研究花兒，也取得了一些成就，可能會有重大突破。” 新化石的發現讓科學家非常興奮，科學家也在活著的花兒和它們的基因中發現了足夠的線索，同時，他們也正在破譯不同花兒的植物DNA密碼。科學研究表明，千姿百態的花兒同我們的眼睛和四肢一樣，采用同樣的方式進化：對舊的基因進行重組和改造來適應新的任務。 最近，在花兒同其他植物有何關系的問題上，科學家們眾說紛紜。尤其是隨著科學家們對植物DNA的研究越來越深入，花兒與植物之間的親屬關系也越來越明晰。加州大學戴維斯分校的古植物學家詹姆斯·多伊爾說：“在這個問題上，科學家們的看法不一樣，其中的一些已經被事實駁倒。” 例如，現在我們都清楚地知道，花兒最近的親屬是只結果不開花的植物，包括松樹和銀杏等。然而，這些植物之間的關系也非常密切，它們同花兒的關系都差不多。 1.36億年前的花朵小巧簡單 可能記載了花兒出現時的最初生命狀態的植物在幾百萬年前或許就已經滅絕。多伊爾說：“只有通過化石才能找到它們。” 在過去的幾年里，科學家已經將開花植物的化石記錄追溯到了大約1.36億年前。科學家們還發現了一些神秘的已經滅絕的種子植物的化石，其中的一些植物在看起來有點類似花兒的結構中結出果實。 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系最密切這個問題上，古植物學家產生了嚴重的分歧。 但是，在花兒自身的早期進化這個問題上，科學家們取得了共識。通過研究很多開花植物的DNA，科學家發現，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，你可能對這些最古老的花兒不屑一顧。多伊爾說：“誰也不會想到這些花兒會四處播種，產生后代。” 這些早期的花朵個子嬌小而且很少見，生長在長得更加茂盛的無花植物的陰影里。花兒經過幾百萬年的努力才迎來其全盛時期。大約1.2億年前，一批新的花兒進化出來，并開始在許多森林里取得統治地位，同時演化出千姿百態。 這批花兒的家族囊括了目前地球上99%的開花植物，從木蘭花到蒲公英再到南瓜。花兒品種變得越來越豐富，留下的化石的種類和形狀數目繁多，讓達爾文也迷惑不已。 從互葉梅開始，所有花兒的基本結構都一樣。幾乎所有的花兒都擁有花瓣或者類似于花瓣的植物，最原始的花兒可能都像現在的互葉梅一樣小巧而簡單。 后來，在第六代，花兒變得越來越復雜。在進化中，花瓣開始一圈圈地向外延展，花瓣因此變得越來越大、越來越鮮艷。外圈通常是綠色，這種像葉子一樣長出的外圈通常叫做萼片，在花兒處于萌芽狀態時，萼片就是花兒的“守護神”。 根據這一最新發現，花瓣與花瓣之間似乎也并不相同。比如說，龍爪樹花進化出花瓣的方式同玫瑰花進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80年代晚期，科學家首次發現了控制花兒生長的基因。現在，科學家正在研究一種名叫擬南芥（科學家將這種植物稱為植物界的“小白鼠”）的小型植物。科學家發現，基因突變可能引起奇怪的變化。許多基因變異導致花瓣生長在雄蕊的“地盤”；另外一些基因變異將花瓣的內圈變成外圈的萼片；其他變異將萼片變成葉子。 這個發現具有重大意義，它證實了德國詩人歌德最先提出的一個想法，歌德不僅寫出了鴻篇巨制《浮士德》，也認真地研究了植物。 1790年，歌德撰寫了一篇在今天看來很有遠見的文章《植物形態學》。在這篇文章中，他認為，包括花兒在內的所有植物器官都始于葉子。他寫到：“從頭到腳，植物剛開始只不過是一片葉子。” 200多年以后，科學家發現，基因變異能夠導致歌德所預見的那種巨大的變化。過去的20年間，科學家一直在研究這些基因變異如何在普通的開花植物上起作用。 基因給能夠開啟其他基因的蛋白質編碼來開啟或者關閉其他基因。這些基因組合在一起，能夠長出擬南芥的花瓣或者其他部分。 科學家正在研究這些基因，以弄清楚新的花兒是怎樣進化出來的。他們發現，組成擬南芥的基因也出現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行復制，這種復制帶有一定的偶然性。 然而，找出了組成花兒的基因，并不意味著科學家就知道了它們在花兒成長過程中所扮演的角色。為了回答這個問題，科學家需要進一步研究植物基因，但是，沒有植物像擬南芥那樣好“擺弄”，因此，相關研究現在才剛剛開始。 耶魯大學的進化生物學家薇薇安·艾瑞西和同事正在研究怎樣“擺弄”罌粟，因為“罌粟花瓣的進化過程并不一樣”。 她的團隊通過關閉其中一些基因的方式找到了組成花兒的基因。 最終的結果表明，組成罌粟花的基因同組成擬南芥花的基因密切相關。例如，在擬南芥中，名叫AP3的基因控制花瓣和雄蕊的生長。罌粟花中也有相應的基因，叫作古AP3。但是，艾瑞西團隊發現，這兩個基因的影響不一樣。關閉擬南芥的AP3基因會改變花瓣；關閉罌粟花的AP3基因會改變雄蕊。 艾瑞西說，這個結果表明，雖然同類基因控制這兩種花瓣的生長，但是，罌粟花上的花瓣與擬南芥的花瓣的進化方式并不一樣。 如果艾瑞西的結論正確，花兒將采用和我們自己的眼睛等器官一樣的方式進化。例如，我們的腿與飛蛾的腿的進化方式不一樣，可能基因是一樣的，許多同樣的基因進化出不同的腿。 艾瑞西說：“我認為，動物和植物擁有同樣的進化策略這一點很酷，盡管它們使用的基因不同。”然而，她對于花瓣的研究只是冰山一角，她說：“在花兒生長的過程中，會發生很多事情。”花兒會進化出新的性別器官。松樹有雄球花和雌球花，雄球花位于新梢的基部，雌球花大多數見于主枝的軸端。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，它們將經歷一個人類裸眼看不見的變化，這個變化可能就是花兒在植物界取得支配地位的原動力。 其他專家也同意這種轉變的存在，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，胚乳中擁有一套單個的雌性DNA的簡單花兒，比如水仙花等，開始于位于胚囊一端的單個的原子核。隨后，原子核分裂，核移動到胚囊的中部變成胚乳的一部分。 后來，玫瑰花或者罌粟花上開始出現變異，單個的原子核開始在囊的一端生長。當原子核分裂時，原子核朝著胚囊的另一端移動，兩端的原子核各自分裂，每一端的原子核都移動到中部。 因此，一個簡單的復制過程讓花兒變得越來越復雜，而且衍生出千嬌百媚的各式花朵。 弗里德曼說：“自然界不僅創造出萬事萬物，而且用最簡單的方式創造了奇跡，它們并不艱澀，也不神秘，歌德早已經發現了這一點。”
編輯：Aggie |
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