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海带竟然不算植物!这得从演化开始说|刘夙

本文为2019年7月20日“我是科学家”演讲活动第十三期——以我微光 | 刘夙 演讲实录:

“门纲目科属种”,当初在生物课上背得滚瓜烂熟的分类系统如今依然是分类学领域的重要框架。近几十年来的最新分子研究能否为分类学带来更多的可能性?分类学上如何梳理例如杂交品种这类复杂的关系?上海辰山植物园高级工程师,科普作家刘夙将和大家分享《为什么会光合作用的海带不是植物?》。

点击图片可观看刘夙演讲视频

以下为刘夙演讲实录:

我是刘夙,在上海辰山植物园工作。我的本职是做科普,同时我也从事植物分类的研究。

在我的研究中,面临的一个核心问题就是:什么是植物?

可能大家会觉得,这还不好说吗?能动的是动物,不能动的就是植物——大部分植物都不能够以人明显察觉的速率运动。

或许你还知道另一条标准:很多植物能够进行光合作用。植物能利用光能把水和二氧化碳化合成糖类和氧气,也因此成为地球生物圈里非常重要的组成部分。

但并不是所有不会动的生物都能够进行光合作用,比如蘑菇和木耳就不行。

这种二分法把地球上的所有的生物分成动物和植物,看上去有点简单粗暴,但很实用。心理学家甚至发现,几乎世界上所有的族群都会这样划分,可能是人类的一种先天心理。

西方人也不例外。比如,18世纪著名的瑞典博物学家、有“现代植物学之父”之称的林奈——说到生物分类人们总会提起他。图右是戴着假发的林奈,他在年轻的时候就已经出过一个小册子,将生物划分为动物和植物。图左展示的是人们日常能够接触到的生物。

林奈的二分法在西方流传了很久,但它就是合理的吗?

并不是,因为它是一种非常“人工”的分类

我们现在有一种观念,觉得人工的东西不好。比如,人工添加剂就不好。

科学方面,我们也有类似的意识,要追求一种自然而非人为的分类。什么叫自然的分类呢?19世纪达尔文提出基于自然选择的演化论之后,这个问题算是有了一个明确的回答:一定要把某种生物祖先的所有后代都包括在内。也就是说,必须要确切地梳理生物演化的情况

达尔文有一个重要观点,即所有的生物都有一个共同的祖先,用上图最底部的白点表示。然后,这个共同祖先不断地繁衍后代,并且一边繁衍一边分化(最基础的分化方式就是二叉分开),尽管可能有一些支系在历史的长河中灭绝了,但是也有很多幸存下来,如图中虚线上方的部分。

在不断分化的过程中,生物的特征也会发生变化。图中的白色、黄色和红色圆点就代表按照传统划分的结果——仅仅把所有开红色花的植物归在一起,或者把所有1米9的人归在一起,显然不对。

因此,有了系统树(演化树)的概念,科学界才能定义“自然”的生物类群——就是由同一个共同祖先演化出的所有后代的总和。如此,我们才能够真正揭示出现在地球上这些千姿百态的生物实际的演化关系。

追求自然的分类,说起来轻巧,实际做起来也没那么容易。直到最近几十年,我们掌握了分子生物学的方法(测DNA、RNA序列,然后进行对比),才终于能够比较准确地复原真实的演化关系。之后,很多传统的分类都被推翻了。

我从去年开始,参与了江西农业大学李波老师主持的一项植物分类研究,在今年发表了有花植物的一个新科——美丽桐科,以分子研究为主要证据。传统上,它和泡桐都归到一个很大的玄参科,后来有些比较新的分类系统把这两个属(泡桐属和美丽桐属)独立出去成为泡桐科。我们通过DNA序列比对,掌握了比较全面的证据,表明美丽桐属不能和泡桐属放在一起,必须成立它自己的科。

这些都属于美丽桐科,生长在我国西南部、南亚和东南亚。我们测序比对后发现,它的演化关系如下——

从图中可以看出,玄参科很早就分出来了。这一堆植物最后分成两大支,美丽桐和泡桐都属于LMPO支。但是,美丽桐属和泡桐属的位置并不近,因此我们主张把美丽桐属独立成科。这是中国人发表的被子植物的第六个科,我也给植物研究做出了一点微小的贡献。

接下来,利用同样的方法,可以进一步去梳理整个生物演化过程。植物真的可以用“不能动”和“光合作用”两个简单的人为特征概括吗?事实告诉你:绝对不是这样,演化过程远比想象中更为复杂和有趣。

根据我所总结的一直到去年年底为止的文献资料,地球的生物从最早的共同祖先开始,首先演化分化出了细菌域和古菌域。在细菌域里面,值得一提的是蓝藻:它能够进行光合作用,但实际上跟细菌更为接近,所以也被称为蓝细菌。

后来,古菌域里涌现出了具有真正细胞核的真核生物。不过,它到底是怎么出现的,到现在还有争议。但不论怎样,真核生物自出现就经历了一个相当复杂的演化。根据我们今天建立的演化树,真核生物早期分化出的类群,你可能听名字都觉得陌生——之前好多都没有中文名,是我今年才拟定的。

后来又有一支,先后分出来变沟虫、变形虫、早别虫和无足虫,接着又演化出两类非常重要的生物,泛真菌和泛动物。顾名思义,泛真菌就是以真菌为主的一个类群(如木耳、蘑菇),泛动物就是以动物为主的类群(如人类)。所以,其实是一个非常颠覆性的发现。

以前人们老觉得蘑菇、木耳不能动,应该是植物;但是现在看分子结果,发现其实它跟动物更接近。但是也挺好理解,吃蘑菇和木耳的时候,你觉得是更像肉还是菜?用这样的一个办法可以记住它。

真核生物在很早的时候,还分化出一支非常重要的类群,多貌生物。略去一些比较小的家系,多貌生物主要分成两支。其中的一支的祖先(当时还是异养的单细胞生物),在大约16亿年前发生了一个非常重要的事件:它吞了一个能进行光合作用的蓝菌,但并没有把它消化掉,而是在体内养了起来。然后它们就形成了一个互惠共生的关系——蓝菌通过光合作用制造养分供给真核细胞,真核细胞为蓝菌提供安全的生活环境。如此,演化出了红藻、灰藻、绿色植物、隐藻等类群。

久而久之,吞下去的蓝菌变成了叶绿体,整个共生体变成了植物。这也是今天国际上比较主流的植物定义。

那么,其他那些可以进行光合作用的生物又是怎么来的呢?

大家有没有想过,既然植物的祖先可以吞掉蓝藻而不消化它,那同样的事情可以反复发生。即便是某一支丢掉了叶绿体,它也可以再吞一个红藻细胞形成第二次内共生,就又恢复了光合作用的能力。

不仅如此,多貌生物的另外一支有一类茸囊生物,根据我们今天的研究发现,它是通过吞下隐藻,连环相吞(已经是第三次了)获得了叶绿体。获得了光合作用的能力后,茸囊生物就分化成了囊泡虫和茸鞭生物两大类。

先来看囊泡虫。它虽然获得了叶绿体,但是好像不太珍惜,所以后来它的有些支系把叶绿体丢掉了。比如,囊泡虫首先分化出一支纤毛虫,其中最有名的代表生物就是草履虫。我们老说一个人的头脑太简单就像草履虫一样,但是你不知道,人家非常有反叛精神——我祖先有叶绿体,可以进行光合作用,我就不要了,我还过我自由的生活。

后来这一支又分出顶质体类,演化出一些非常臭名昭著的寄生虫,比如能够在人、猫、狗之间感染的弓形虫,以及热带著名传染病疟疾的病原体疟原虫。它们也是丢掉叶绿体的一类。

当然也有继续保留光合作用的生物,涡鞭毛虫(甲藻),它们大多是海洋里的浮游生物,但是繁殖过多会形成赤潮,造成危害。

茸鞭生物也有类似的情况,有些支系(比如卵菌)把光合作用能力丢掉了,后来也变成寄生虫了。比如让金鱼长白毛的水霉和让马铃薯全部毁灭的疫霉。

接下来,又演化出来一支同样丢掉光合作用能力的吸硅菌,它是一个可怕的杀手——能够像吸管一样把它的一部分细胞伸出来,插到硅藻的细胞里面,然后把硅藻细胞的内容物全部吸到自己体内消化。

当然,也有继续保留光合作用能力的,演化出一大群黄色藻类,包括硅藻、金藻、黄藻、褐藻等。我们说的海带,其实是属于褐藻的一种。

所以,现在你可能会明白为什么海带不是植物了。尽管它不能动,也能进行光合作用,但是我们通过分子的方法发现它的祖先很早就跟植物分开了——这就是利用分子方法构建的演化树所为我们揭示的最新生物演化的图景。

或许你会问:搞这么复杂,有什么用吗?如果你想知道一个特别实际的用处,我还真能找出来一些。

我们都知道,疟疾是一种非常厉害的热带传染病,屠呦呦先生就是因为找到了治疗疟疾的青蒿素获得了2015年的诺贝尔生理学或者医学奖。但是目前,疟原虫又开始对青蒿素类药物产生抗药性,这就要求我们必须再去寻找新的药物。

刚才我们说过的疟原虫,它是一种丢掉了光合作用能力的囊泡虫。其实它体内的叶绿体还在,只不过没有叶绿素了,取而代之的是一种叫做顶质体的结构,在它的生理过程中发挥着重要作用。

有人就根据演化关系指出,是否可以针对疟原虫残余的叶绿体(也就是顶质体),以此为靶点开发出新型抗菌药物呢?很显然,这是一个非常有潜力的方向。所以,分类学的研究成果还真能为医药等生产生活提供实际的指导方向。

但我想说的是,我们做生物分类,更主要不是为了追求非常实际的用途,而是希望了解生物演化本身——希望能够揭示自然的奥妙,知道生物是怎么来的,从而知道人类在世界中的位置。

有一位非常有名的演化生物学家多布然斯基就说了一句非常好的话:“若无演化之光,则生物学的一切都无意义”。我们正是因为有了演化论,有了在其基础上构建的一系列方法,才能够把生物的演化探究得如此详尽。

我觉得这些知识本身就是美好的,所以我愿意把它分享给大家。谢谢大家!

演讲嘉宾刘夙:《为什么会光合作用的海带不是植物?》

(编辑:麦芽杨、凝音)

The End

发布于2019-09-02, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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