蕨类植物的建筑史

作者: 李彤

来源: 科学大院

发布日期: 2022-04-25 07:00:00

本文详细介绍了蕨类植物从古至今的建筑史,展示了它们如何通过独特的孢子囊设计来保护和传播孢子,从而在地球上生存了4亿年。文章还提到了蕨类植物在建筑设计上的智慧,以及它们在自然界中的重要性。

植物界的活化石,生命足迹横跨泥盆纪到21世纪;最原始的维管植物,跨出的一小步,成就了维管植物的一大步;作为食草恐龙的“下酒好菜”,见证了恐龙的诞生和灭绝;它,就是蕨类植物。蕨类植物(Pteridophyte),又称羊齿植物,既属于高等孢子植物,又是低等维管植物。蕨类植物最早出现在4亿年前,它们不仅见过真恐龙,还是恐龙非常喜欢的“下酒菜”。

然而蕨类植物绝不满足于在美食界的发展,它们在建筑设计上颇有建树。蕨类依靠孢子繁殖,因此十分注重对孢子的保护。它们为自己的孢子“建造”了各种各样的房屋(孢子囊),以便让孢子们度过自己安全快乐的“童年”和“青春期”。下面就让大院er带读者领略“蕨蕨子”的建筑史吧。早期的原始维管植物是小型叶的石松类植物(Lycophytes),这些植物的孢子囊属于传统的“老式建筑”,它们注重坚固性和便利性。

石松类植物的孢子叶集生在枝的顶端,形成球状或者穗状,称孢子叶穗(sporophyll spike, strobilus)。孢子囊由多层细胞组成,普遍着生在叶片基部的叶腋处。

这一时期的知名“设计师”除了石松类的石松亚门(Lycophytina)、水韭亚门(Isoephytina)外,隶属于和真蕨类的松叶蕨亚门(Psilophytina)和楔叶亚门(Sphenophytina)的叶片退化成很小的苞片状或鳞片状。石松亚门的植物起源较为古老,它们的叶子属于鳞片状叶,旋转着生。因此建造房屋的地方十分有限。孢子囊生在孢子叶的近叶腋处或叶腋内,这个构造很像我们现在居住的楼房。

它们的孢子囊穗里包含两种“户型”,一种是专门为大孢子设计的大孢子囊,里面可以居住1到4个大孢子(发育成雌配子体);另外一种是小孢子囊,里面可以居住多数小孢子(发育成雄配子体)。水韭亚门植物的孢子体为草本,它们的茎粗短呈现块状,孢子囊就建造在孢子叶的近轴面。水韭亚门的孢子囊是“最接地气”的“户型”,生长在叶片基部的孢子囊紧挨着地面。

和石松亚门的蕨类植物一样,它们也为大孢子和小孢子设置了独立的房间,但是这个房间可大的多了,大孢子囊可以满足100到300个大孢子居住,小孢子囊里竟可以同时容纳30万个以上的小孢子(粉状)。松叶蕨亚门的孢子囊大多生在枝端或叶腋内。其代表植物松叶蕨(Psilotum nudum)的孢子囊呈球形,单生于孢子叶腋处,三个孢子囊聚集后形成三室孢子囊。

值得关注的是,松叶蕨由于分布范围的急剧缩小,现已处于极度濒危状态,这种“三室”的建筑风格也面临失传。楔叶亚门植物在石炭纪较为繁盛,当时生有高大的木本也有矮小的草本,可以说从“摩天大厦”到“四合院”一应俱全。只可惜现在大多已经绝迹,只有少数的草本种类保存了下来。楔叶亚门的孢子囊生于特殊的孢子叶上,这种孢子叶又称孢子柄(sporangiophore),孢子柄在某些枝端聚集成孢子囊穗。

它们给孢子囊带来了双重保护,就像我们给房屋外建了围墙一般。大型叶时期的“建筑风格”已经向现代化发展,这一时期主要是真蕨亚门的蕨类植物。真蕨亚门植物的叶片平坦宽阔,给孢子囊的兴建提供了足够的场地。真蕨亚门的孢子囊一般生在孢子叶的边缘或者背面,在较低等的种类中生于特化的孢子叶上。这个时期的建筑已经不仅仅满足于坚固性和安全性,还因奇特的排列方式和异样的色彩,而具有一定的建筑美学价值。

比如瓶蕨 (Vandenboschia auriculata) 孢子囊群生于裂片顶端,形状如瓶,奇丽可爱;瓦韦 (Lepisorus obscure-venulosus) 孢子囊群生于叶背中脉两旁,圆形而大,黄色,特别奇致;表面星蕨 (Microsorum superficiale) 孢子囊群散生,圆形小而密,玲珑可爱;小黑桫椤 (Alsophila metteniana) 孢子囊群生于小脉中部,整齐排列,颇具特色。

这些特点不仅为它们成为观赏植物奠定了基础,也给植物分类学家提供了很好的分类依据。孢子在孢子囊中生长、发育,成熟之后就会永远离开养育它的孢子囊,开始自己独立的探险生活。孢子没有自我行动的能力,只能依靠外力向外散播,虽然孢子囊稳定的物理化学性质有利于保护孢子免受强光、高温的侵害,但是同时也阻断了风媒等传播方式。

随着蕨类植物的进化,真蕨亚门的薄囊蕨纲(Leptosporangiopsida)终于拥有了比较成熟的投射方式,那就是各式各样的环带。它巧妙地利用弹性势能和动能的转化,设计出这种拥有强达30.4MPa抛散力度的“投石器”。当孢子囊成熟时,水分的蒸发作用会导致环带细胞失水,而细胞壁和细胞内水分具有很强的附着力,因此随着细胞内水分减少,环带细胞的外弦向壁就会不断向内凹陷,拉动径向壁端部的距离。

此时,维持环带本身形状的“内力”和拉开环带的外力展开了一场实力悬殊的“拔河比赛”,失水引起的张力妥妥碾压“内力”,环带的唇细胞首先裂开,然后开口越来越大。随着环带中水分蒸发殆尽,水的表面张力消失,拉开环带的张力也随之消失。没有做好准备的内壁突然收缩,像投石器一样将里面的孢子抛了出去。这也是蕨类植物为孩子们提供的最后帮助。从小型叶到大型叶,再到弹射门。蕨类植物尽显它们独到的设计智慧。

曾经作为“下酒菜”的它们,也正是由于这些建筑作品才能够生存4亿年之久。看来自然界确实处处神奇。在了解完这段建筑史之后,不知道读者朋友们会不会留意身边的这些奇妙植物呢?毕竟它们真的很“蕨蕨子”呢!

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