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种子大概是人类最熟悉的植物器官之一。到今天为止,几乎所有的人类都需要依靠植物种子来维持生命。植物种子不仅可以为人类提供大量的碳水化合物、蛋白质、脂类等营养成分,还可以转化为推动发动机运转的酒精,更可以成为帮助我们了解太空环境的实验材料。种子不仅支撑着人类社会的运转,还将影响人类社会的未来。如此熟悉的事物——种子的背后,其实还藏着很多谜题——植物种子的寿命究竟有多长?不同植物的种子是如何适应生存环境的?在地球遇到灾难性事件的时候,哪些植物种子能为人类带来新的希望?这些都是科学家们关心的大问题。在破解种子谜题的道路上,钟扬就是我们的榜样。为什么要收集种子?2011年6月,复旦大学生命科学学院教授、植物学家钟扬带领他的团队,在海拔6000米以上的珠穆朗玛峰北坡采集到了雪莲的种子。6000米,这是当时中国植物学家采样的最高高度,创造了一项纪录。从2001年到2017年,在16年时间里,钟扬带领他的团队在青藏高原采集了4000万粒种子。这样大规模的种子收集工作,为盘点中国植物资源家底做出了突出贡献,更为下一步的生态保护和开发利用提供了不可或缺的参考依据。作为“国宝级”科学家,钟扬援藏16年,采集了上千种植物的4000万粒种子,也在无数人心中种下了科学的种子。1979年,一个年仅15岁的少年,从湖北黄冈中学考入中科大第三期少年班,学习无线电专业。5年后,他被分配到专业不对口的中科院武汉植物研究所工作。在一问三不知的情况下,钟扬开始埋头钻研,他拿着植物检索表一种一种地对照着认识。一年之后,从他口中说出来的植物名称,全是拉丁语,“比受过正规分类学教育的人还正规”。“板凳一坐十年冷”,从实习研究员、助理研究员、副研究员、研究员到升为副所长,钟扬在武汉工作了整整15年,但他对研究的执着始终如一。他穷极所有的热情与精力,向着植物学领域的纵深方向,一路挺进。2000年,钟扬放弃了正在担任的副所长职务,赴复旦大学生命科学学院任教授、博导。2001年,钟扬主动请缨,只身踏上地球“第三极”——西藏,申请成为援藏专家。从2001年起,钟扬在西藏探索了整整16年。在他的入藏愿望清单里,有一项重要的使命——采种子。那么,钟扬的团队为什么要收集大量种子?又为什么要在青藏高原进行收集?钟扬说:“人类对种子的研究步伐,远远追不上植物消逝的速度……。经过测算,在‘科’这一层面上,青藏高原有我国植物物种的1/3;在‘属’这一层面上,青藏高原的植物物种超过全国1/3。然而,这一数量远远被低估了。”钟扬要做的,就是为祖国盘点青藏高原的植物“家底”。青藏高原拥有多样性极高的生态环境,海拔和降水差异极大,这也造就了多样性极高的高原植物。在这里分布有近6000种高等植物,占全国总数的32.9%。不仅如此,这里还有1000多个高原特有种,堪称植物生物多样性宝库。青藏高原的植物对全球气候变化更为敏感,了解它们的反应和转变,对于人类应对全球气候变化,做好相应准备具有重要意义。青藏高原的植物看似坚强,但又十分脆弱,它们能在雪线之上的低氧、高寒、高紫外线环境下生长,但是它们却无法适应快速上升的气温,也无法适应迅速变化的降水模式。想要搞清楚青藏高原植物的生存秘密,首先就要了解清楚这些植物的具体情况,进而做最大限度的保护,为国家、为人类储存丰富的“基因库”。钟扬曾经说过,一定要在一些物种消逝之前把它们保存下来。收集种子的困难点在哪里?4000万粒种子,对普通人来说是一个难以想象的天文数字,即便是从稻田里收集这么多水稻籽粒也是一个艰巨的任务。大家可能没有想到的是,钟扬收集的这4000万粒种子并不是简简单单、随随便便地采集而来的,这里面还有很多特别的采集规则。十多年来,他在雪域高原跋涉50多万千米,收集1000余个物种的4000多万粒种子,占西藏物种的1/5。在雅鲁藏布江边,他和学生历时3年,将全世界仅存的3万多棵西藏巨柏全部登记在册;不懈追踪十余载,他的团队在海拔4150米的山上寻获“植物界小白鼠”——拟南芥;在海拔6100米以上的珠峰北坡,他带着学生采集到了珍贵的鼠曲雪兔子样本,这是迄今为止中国植物学家采样攀登到的最高点……在世界屋脊采集种子的艰苦,非亲历难以想象。每一种植物的样本数量要达到5000粒,濒危物种样本一般需要500粒。为了保证植物遗传信息独立,每个样本之间的距离不能少于50千米,同时在整个西藏境内,任何一个物种的样本不能超过5个群体……,于是,在广袤的高原上,有时一天奔波800千米。早上五六点出发,晚上八九点钟到达宿营点,之后还需要连续几个小时整理标本,一天睡3个小时是常态。如何保存种子?钟扬带领团队走过了青藏高原的山山水水。他的理想是在未来10年间收集西藏植物的1/3以上。如果有更多人加入,也许30年就能全部收集完……然而,将种子采集回来,仅仅是“万里长征走完的第一步”,要想让种子持久地维持活力,还有很多工作需要做,其中去掉果皮就是一项艰巨的任务。虽然很多植物的果皮有吸引动物的作用,但是植物在这种部位并不投入太多营养物质,所以对人类来说,野生的果子通常都不如栽培筛选过的好吃。比如钟扬举例说过的光核桃,这是一种特别的物种,虽然长相类似桃子,但是酸涩的果皮着实让人头疼,把种子啃出来就成了一个艰巨的任务。钟扬想出了一个高招,就是把采集到的8000个光核桃果子摆在门口,请路过的老师和同学来“品尝”,并且规定每个人尝的数量不能超过7个,因为通过“研究”发现,品尝超过7个光核桃,有很大的“绝交”可能——因为这些桃子太难吃了。有藏族朋友对钟扬老师说:“老师,这东西根本不能吃啊。”钟扬老师回答说:“我也知道不好吃,所以给大家限定了品尝数量,吃了超过10个,以后肯定不跟我讲话了。”钟扬摆摊的热情从未消退过,就是为了获得珍贵的种子,把啃掉果肉的桃核仔细刷干净,擦干,放在阴凉处晾干,这样做才能维持种子的活力。“这个桃子有什么用呢?没什么用。目前查来查去,大概它最大的用处就是藏药里面有少许的用途吧。但是我们需要它,也许它就像猕猴桃一样,多少年以后终于可以跟我们的水蜜桃杂交了。”钟扬如是说。收集并保存种子就是为了给人类保存希望。种子是永生的,这大概是很多朋友的惯常想法,因为身边有很多例子都告诉我们,种子随时都做好了萌发的准备,但事实并非如此简单。如果注意观察,我们就会发现一个有意思的现象:春天荠菜的种子落入土中就不见了,到了来年春天才萌发、生长直至荠菜花重新绽放。这是因为种子里面有特殊的抑制发芽的物质,比如脱落酸,这种物质可以让种子沉睡好久。随着时间的推移,脱落酸的含量越来越低,特别是经历了寒冷的冬天之后,抑制种子萌发的“魔咒”终于被打破。等到春暖花开的时候,我们就能看到很多很多新的荠菜花了。除了上面说到的“魔咒”,有些种子身上还有一道特殊的“光魔咒”。有些种子必须要在全黑的环境里才会发芽,如南瓜和苋菜,它们的种子必须钻进黑暗的土壤才能生根发芽。而有些种子必须在光亮的环境中才能发芽,如烟草的种子就必须有光,特别是红光的照射才能正常发芽,这大概跟种子的生活环境有关。正是上述这些特别的种子行为,让我们有一种错觉——种子是永生的,只要给予适当条件,它们就能生根发芽。但事实并非如此。如果把豌豆放上10年,就会有一半的种子失去活力;如果到30年以上,几乎所有的种子都长眠不醒了。相对于其他农作物,豌豆都算得上长寿种子了。因为,辣椒种子和向日葵种子的寿命是4~5年,萝卜种子的寿命是3~5年,而水稻、小麦在普通储存条件下的寿命只有1~3年。时至今日,人类发现的寿命最长的种子也只有2000年左右。在16年的时间里,钟扬带领团队收集了4000万粒种子,每个物种至少收集5000粒。有同学可能会问,为什么要这么多?除了对于遗传多样性的考量之外,也是因为种子的寿命有限,尽可能多地收集种子,才能保证在一段时间后,仍然有活的种子。植物种子为什么会逐渐丧失活力呢?一般来说,把大豆放在家里的冰箱里(低温条件下储存)一年,它们的发芽率就会降到大约60%;如果放置30个月以上,发芽率就只有20%~30%了;如果只是放在袋子里面不密封,一年后的发芽率就已经低于30%,有些品种超温保存一年之后,甚至会“集体阵亡”。首先,大豆有可能被自己的脂肪毒死。这些脂肪在氧化之后就会变成自由基,这些自由基会抢夺其他物质的电子,蛋白质、DNA都深受其害。被夺去了电子的生物分子,要么失去活性,要么就土崩瓦解了。除了脂肪,蛋白质的活性降低也是大豆种子发芽率降低的原因之一。这些蛋白质是提供大豆萌发生长的关键。我们知道,种子中储存了大量的营养物质,都是为生根发芽准备的。但是,这些能量和物质已经被高度浓缩,如果想把这些物质和能量取出来,那就需要特殊的“切割设备”——酶。但是,这些酶也会受到温度和湿度的影响,逐渐丧失活性。结果就是种子守着一大堆的营养物质,却被“饿死了”。除了分解物质的能力会逐渐降低,在存放过程中,种子的合成能力也会受到影响。特别是对蛋白质和DNA的合成能力会大打折扣,而这两种物质的合成复制,恰恰是生命繁衍的核心过程。除了这些静悄悄的变化,种子的细胞结构在储存过程中也会不断变化。比如线粒体的形状会变得奇异起来,这个为细胞提供能量的工厂一旦停转,所有的事情就不用干了。另外,细胞膜的结构也会受到破坏,细胞中的钙离子、钾离子、糖和氨基酸都会渗透出去,这样大豆种子也就失去了发芽能力。实际上,比我们更关心大豆发芽的是那些农学家。要知道,我们吃的大豆还必须用种子来种,如果没有好的保存方式,真要遇到小行星撞地球那样的天灾,那我们就只能从野生大豆中一点点再选育了。保存种子需要的几个关键条件。一说到保持活性,我们首先想到的就是低温。诚然,低温保存会让种子进入更深的休眠状态,降低它们的呼吸作用。但是冰箱不是保险箱,保存在里面的种子一样会逐渐丧失活性。除了低温,隔绝氧气也是抑制活性的好方法,氧气对种子有很大的危害性,比如诱导自由基产生破坏细胞。所以,适当隔绝氧气才是真正保护种子的方法。除了温度和氧气,还有一个影响种子生死的重要因素,就是含水量。通过现有的实验证明,干燥储存与冷冻储存的效果是等价的。一般来说,当种子的含水量在5%~14%变化的时候,含水量每降低1%,种子的寿命就会提高1倍。虽然不同植物所需要的最佳温度和含水量会有所不同,但是低温和干燥是延长植物种子寿命的最有效方法。不管是挪威的斯瓦尔巴全球种子库,还是中国西南野生生物种质资源库,都是采用类似的低温干燥环境来保存种子。这些保存起来的种子,必将成为人类未来的希望。钟扬曾说,5000粒种子,希望这些储存的种子在未来派不上用场,因为这说明,那个时候这些植物都还在。种子收集者钟扬收集的种子已经凸显出了巨大的科研和实用价值。钟扬团队在海拔5000米以上的地方发现的XZ生态型拟南芥,为解释青藏高原隆起、揭示拟南芥家族的演化路径提供了重要的实验材料,并且钟扬把这种植物学家都梦寐以求的实验室“小白鼠”无偿提供给了全球科研圈。无偿并不代表这些种子没有价值,恰恰相反,这种重要的实验材料可以极大地推动科研工作的发展。钟扬心中所想的不是个人利益,而是国家和全人类的利益。钟扬采集的高原香柏,已经成为研发新型抗癌药物的重要材料。钟扬带着学生扎西次仁用三年的时间把仅存的3万多棵巨柏登记在册。在这些闪光的成绩背后,是钟扬简朴的生活:吃的是难消化的、“耐饿”的“死面饼子”,穿的是25块钱一条的牛仔裤,在恶劣天气下也不曾停下寻觅物种的脚步,所有的一切都是为了托起明天的希望。钟扬不仅仅在收集种子,还在播撒“种子”。2011年,西藏大学生物学科硕士学位授予点获批;2013年,西藏大学生态学一级学科博士学位授予点获得批准,填补了西藏高等教育史的空白。而这些成绩背后是钟扬靠氧气瓶支撑的无数个不眠的工作之夜。这些被撒下的科学的种子,也是人类未来的种子。在种子研究和植物学研究中,钟扬给我们树立了生动的范例,在他的精神感召下,青藏高原植物必然给我们带来越来越多的惊喜,为中国、为人类储存新的希望。(作者:史军,中国科学院植物研究所博士)文章节选自《科学