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聪明的荒漠苔藓:捕获空气水分
来源:中国科学报 日期:2016-9-12 11:01:16 点击数:

    进化之路从来都不循规蹈矩。胡杨、梭梭等顽强的植物,在沙漠中进化出了强大的根系,汲取稀有的地下水。一种生活在沙漠的齿肋赤藓,也从万年的进化中脱颖而出——直接从干燥的空气中吸取水分,而不是从土壤。

    齿肋赤藓生长在中国古尔班通古特沙漠和美国大盆地,也广泛分布在北半球其他沙漠中。它具有独特有效的脱水复苏机制,能够在营养组织失去近90%的细胞水分后,以一种类似休眠的方式度过长期的干旱期,在水分适宜的条件下快速复活。齿肋赤藓是怎么做到在干燥空气里“巧取豪夺”的呢?

    这一行为得益于生长于在苔藓叶子顶端,只有0.5~2毫米长的细小组织——“芒尖”。齿肋赤藓个头微小,成片生存在沙漠的表层,是形成沙漠结皮的优势物种。由于芒尖可以反光,它们聚集在一起时呈现出白色,可以避免植物体因高强度紫外线和吸收过多热量而受到伤害。因此,科学家们一开始认为,芒尖的进化只是为了反射沙漠中的强光,给植物“降温”。不过,来自中科院新疆生态地理研究所、美国杨百翰大学、美国犹他州立大学的科学家发现了芒尖除此以外,“捕获”空气水分的秘密。

    科学家们发现去除芒尖对齿肋赤藓含水量影响非常大,于是猜测两者之间存在某种关系。他们随后开展了一系列的水膜试验、数学模型推导以及动力学特征模拟,同时通过环境扫描电子显微镜和微距摄像机观察,发现芒尖上分布有从纳米、微米到厘米等不同尺度的水分收集与传输系统(凹槽和疣状突起),能够将空气中的水分子分别形成水核、水膜和水滴,然后将这些水滴通过毛细管作用迅速运输到芒尖底部的叶面,被叶片吸收。

    在控制实验中,摄像机捕捉到了凝结在芒表面纳米大小细槽上的水核和水膜。随后,这些水膜不断聚集形成更大的水滴,而水滴沿着芒尖的纳米运输系统进入叶子。“水滴最快能以每秒10~20毫米的速度从芒穿行至叶子。”犹他州立大学Tadd Truscott博士说。

    科研人员还发现,从厘米级的尺度看,齿肋赤藓以聚集生长的方式覆盖在沙漠表面,密集的叶片芒尖能够有效地吸收雨滴打击的能量,从而最大程度地减少雨滴地飞溅和水分的损失,有利于水分的保持和吸收。

    说到齿肋赤藓,不得不提及生物土壤结皮。生物土壤结皮是由藻类植物、地衣、苔藓共同组成,能够顽强地在沙土上生长,与土壤一起形成沙漠表面的保护层。一旦遇水,生物土壤结皮5秒内迅速由黑变绿,远远望去,像是给地表铺上了一层绿色的地毯,因此也被称为“荒漠地毯”。置身于浩瀚的沙漠,你可能不会留意到生物土壤结皮的存在,但是,正是因为有这层荒漠地毯的保护,显著降低了起风速度,有效地维持了沙漠的稳定性。

    “正是芒尖从空气中高效收集、利用水分,并把水分运输给叶片,齿肋赤藓才能适应干旱的环境,才能在沙漠结皮成为优势物种,并成为维护、稳定荒漠生态环境不可或缺的成员。”新疆生地所研究员张元明表示。

    具有收集空气水分能力的植物并非只此一种,不过,以纳米、微米等多尺度微结构的动力学机理被证实的,齿肋赤藓是首个物种。Truscott介绍,科学家可尝试复制这些植物的机制,以建造新型水分收集系统。“我们的实验室已开始制造人工芒尖,以判定这些结构能否被人为制造出来。”

    这一研究成果于6月6日在线发表于《自然—植物》杂志上。《科学》杂志对这一成果进行了评述:科学家首次精细观测到齿肋赤藓如何通过叶片芒尖从空气中吸收水分,也许某一天工程师可以从齿肋赤藓身上寻找到灵感,在干旱区设计出更优化的水分收集系统。

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