高大红杉和细长的丛林藤蔓都是通过一种叫做木质部(xylem)的管状组织,将水分从土壤转移到它们位于高处的叶子内。早期植物只有几厘米高,并且只生存在潮湿环境中。它们的木质部是一束简单的、沿着茎向上延伸的圆柱形管道。但事实上,我们的现代生物圈却是随着这种结构变得越来越复杂而产生的。
捷克科学院的生物学家马丁·鲍达(Martin Bouda)表示:“直到维管植物演化出在相对干燥环境中茁壮成长的能力,生态系统才变成陆地生命一直赖以生存和演化的基础。”现在,许多木质部都具有复杂的横截面,例如有缺口的环形、十字形、菱形或心形。这些木质部内还有一种叫做髓(pith)的空腔——它由死细胞组成,可以将木质部组织束分开。但是,是什么促使植物将它们的管道改造成这种结构的,仍是一个世纪之谜。
最近,鲍达和同事在《科学》(Science)杂志上表示,植物是为了抵御干旱而演化出了复杂的木质部。
从树叶到干燥空气的多种因素导致的水分流失,很难从干燥的土壤中得到补充。而且这种吸收水分的方式会增大木质部的压力,因为这种方式产生的气泡会堵塞木质部,导致组织缺水——类似于致命的空气栓塞会阻断血液供应。通过模拟现代植物和化石植物,鲍达的团队展示了现代木质部的空隙和死角是如何阻止气泡扩散到木质部的。
不过,美国康奈尔大学的演化生物学家雅各·苏伊萨(Jacob Suissa,未参与这项研究)表示,对木质部细胞和组织结构进行小规模研究后,他们发现这种结构也可以抵御干旱。复杂的横截面可能只是随着植物体型增长偶然出现的。他说:“在演化的时间尺度上,尺寸与复杂性的增加存在相关关系。”不过他也特别强调:“质疑‘每一种特征都一定是适应性结果’的思考方式也非常重要。”
尽管如此,这项研究强调了微小的演化调整可能带来的巨大影响。鲍达说,如果没有具备抗旱能力的植物管道,“很难想象地球和生活在地球上的物种会是什么样子。”