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由耶鲁大学研究人员领导的一组科学家认为 ， 他们终于找到了陆地植物进化出如此复杂的维管系统的原因 —— 这一谜题已经持续了大约一个世纪 。
【科学家解开了植物如何在陆地上生根的百年之谜】上图：显微镜下的毛茛根 。
大约5亿年前 ， 当陆生植物第一次出现时 ， 它们的维管系统非常简单 。 它们的根和茎的内部看起来有点像一捆捆的稻草 ， 可以从周围的环境中吸收水分和营养 。
然而 ， 大约在4.2亿年前 ， 这种简单的吸水系统出现了显著的变化 ， “吸管”逐渐分裂成更复杂的形状、结构和大小 。
近100年来 ， 科学家们始终不知道 ， 为什么进化偏爱这些更复杂的内部结构 ， 但一项对化石记录的新分析表明 ， 更现代的维管系统具有更强的耐旱性 。
作者得出结论 ， 缺水可能是最初塑造植物内部的原因 。
地球上最早的陆生植物是小型、简单的苔藓状植物 。 它们没有根系 ， 这意味着它们只能生活在水源充足的地区 。 最早的维管植物只有几厘米高 ， 也只能生长在最潮湿的环境中 。
为了突破这个生态位 ， 它们必须解决的一个问题是 ， 在干旱期间 ， 如何防止水在木质部的运输被栓塞所阻塞 。
随着植物开始向内陆更干旱的地区迁移 ， 它们需要新的方法来获取水分、阳光和营养 ， 同时还要防止自身蒸发和脱水 。 这就是树枝和树根派上用场的地方 。 但与此同时 ， 这些结构也带来了新的挑战 。
在干旱期间 ， 植物很容易干燥 ， 会产生一个水蒸气气泡 ， 有点像血栓 ， 阻止水分通过根部向上流动 。
在一个简单而原始的维管系统中 ， 植物内部的气泡可以很容易地扩散到其他通道或“吸管” ， 形成对水分和营养进一步的封锁 。 结果会引发组织死亡 ， 甚至可能杀死整个植株 。
研究人员对化石记录中保存的一些现代和灭绝植物的各种维管系统进行了建模 ， 现在已经表明 ， 一种更精细的维管模式可以屏蔽气泡 。
当组成植物维管系统的吸管被分离成不同的模式时 ， 模拟表明气泡可以传播到的邻居更少 。
下面的动画说明了在简单的原始植物的维管系统中扩散的栓塞 ， 与更复杂的现代植物维管系统中的栓塞之间的区别 。
上图：栓塞在两个植物茎横截面的通道之间扩散的示意动画 。 左边的茎代表一种原始植物 ， 其简单的结构使栓塞很容易扩散 。 右侧的结构更复杂 ， 因此栓塞造成的损伤更小 。
这一发现使研究人员得出结论 ， 干旱是植物维管系统“理论上合理的”选择压力 。
耶鲁大学环境学院的植物生理学家克雷格·布罗德森（Craig Brodersen）解释说：“每当植物偏离圆柱形维管系统时 ， 每当它发生一点点变化时 ， 就会在抗旱能力方面获得奖励 。 ”
“如果这种奖励一直存在 ， 那么它就会迫使植物从古老的圆柱形维管系统转向这些更复杂的形式 。 通过这些非常小的变化 ， 植物解决了它们在地球历史早期就必须解决的问题 ， 否则我们今天看到的森林就不会存在 。 ”
上图：羊毛菜（Cheilanthes lanosa） ， 又名毛唇蕨（Hairry lip fern）的叶片横截面 ， 显示木质部的心形维管系统 。
这些发现不仅揭示了地球过去有趣的方面 ， 而且还有助于解释现代植物中大量维管形态是如何形成的 ， 并为未来的解决方案提供参考 。
这种对植物如何应对干旱的新理解 ， 有一天可以帮助研究人员为即将到来的快速气候变化做好重要植物群的准备 。
如果专家们能找到培育更好的根系和维管系统的方法 ， 一些作物可能可以养活我们更长一段时间 。
这项研究发表在《科学》杂志上 。
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