中国科普博览，我们科学家有话说 阅读原文 看种类，有些不怕，比如生活在高山区域的植物们。 植物为什么要在这些苦寒之地生活？ 温暖湿润的热带和亚热带地区是植物生存繁衍的乐土，却也是竞争激烈的生存战场，因此，一些植物不得不将视野纷纷投向极寒之地这类不那么友好的生存空间。至少，那里没有太多的竞争者，只需找到策略去面对寒冷严酷的生存条件。 早在数亿年前，许多植物就踏上了向寒冷地区，南北极圈或者高山，不断进击的旅程。 （本回答多图预警） 南北极和地球上各大陆的许多高山区域，因为温度、水分等条件使得几乎没有多少树木能够生存，取而代之的是各种低矮灌木草丛和大量地衣苔藓组成的植被，苔原也因此得名。在地球的表面有着近 2500 万 km²被极地苔原所覆盖，这是地球上真正的最为酷寒之地。 在向极地大陆生存挺进的过程中首先需要挑战的困难是低温，一方面低温会冻伤植物的细胞组织，另一方面它会阻碍植物生理代谢的进程。 对于极地植物来说，它们恐惧的不是冬天的冰寒，而是春天低温带来的刻骨铭心。 在冬季冰霜期，植物会降低体内含水量，增加抗冻蛋白，全面进入休眠状态，挺一挺冬天就过去了。 而春季，它们的生长期，才是生存挑战的开始。极地区域的日均温度很少能超过 13-18℃，经常徘徊在 5-8℃之间。以格陵兰岛最温暖的区域为例，即使是最温暖的月份，平均温度依旧低于 10℃，而一年平均只有 2-6 个月平均温度会高于 0℃。低温情况下，植物还要面临时常光顾的“倒春寒”，因此每一种保暖增温的措施对于极地植物而言都是至关重要的，即使只是很小的温度上升，也能在植物争分夺秒的生长季节起到关键作用，从而获得生存发展的生机。 为了抵抗低温，极地植物进化出了一系列有趣而又实用的策略。 在这里，长得高，可能会活不下去 多数苔原植物身高不超过 6-8cm，这个高度可以保证头顶上的冷风不容易吹进来，而且在相对低矮的地表微生境中，温度相对较高较稳定，可以保障生长进程能够快速开展。 例如，科学家发现，在挪威虎耳草（Saxifraga oppositifolia ）2 米上空中的温度只有 0.5℃，但在 1 厘米的地表温度却可以达到 3.5℃。到了数朵花的花苞之间，温度更是能“高”达 6℃！还有一些研究发现，一些植物会利用环境条件如深藏在灌丛或者石缝中，这样可以使得局部温度差异达到近 22℃。 在低矮的地表，懂得“盖被子”也是重要的技巧。 许多植物会选择将自己藏在多年死亡掉落的老叶中“萌发”，这样能在很大程度上降低寒冷对植物生长带来的不利影响。有的时候，面临突如其来的低温寒流，冰雪形成的天然冰壳也是重要的保温层，就像北极爱斯基摩人的冰屋，可以很大程度上隔绝极端低温带来的影响。 秋裤的好，极寒地区的植物都知道 许多动物为了保暖会全身披满绒毛和长毛，还会很多个体挤在一起。极地植物对这一保暖策略的应用也是得心应手。身上长绒毛，不仅能保护植物度过寒冬，在开花结果期间也能起到关键作用，保证花和果实这一类重要的繁殖器官加速成熟且不受冻害。 植物追着太阳跑，像不像南方的你想贴近“小太阳”的样子 极地植物的开花温度常比生长发育的要求更高，一些物种开花需要的最低温度在摄氏 3-8℃之间，而大量绽放需要 5-12℃的气温。 为了追踪温暖的阳光，一些植物花瓣构成如太阳灶一样的反射镜形状，每日随着太阳在天空的位置而转动花的方向，这就是极地植物中着名的“太阳灶类”植物。 研究显示，这种方法能有效的将温度提高 10℃左右，比较着名的北极植物就有山地仙女木木 Dryas integrifolia 和北极罂粟 Papaver radicatum。 利用颜色也是极地植物不会错过的招数。一些花朵的温度会随着颜色变深相应提高，相比于浅色花，一些深色花能将温度提升 4.2℃。温度的增加可以加速花的成长发育，也能显着提高传粉效率，激励那些追寻温暖的昆虫为其传粉。在高山环境地区，各类深色甚至近黑的花也不少见。 没有生长在温室的命，那就自己造一个温室 除了利用颜色来提高温度，利用花瓣结构来实现增温也是绝佳的办法。和孔明灯或者热气球的原理类似，许多极地 / 高山植物花瓣会形成钟状的结构，热量在花内被有效汇集，像一个暖暖的灯笼吸引昆虫拜访。 “白天是酷暑，夜晚是严冬”是低纬度高海拔的极地环境的真实写照，和北极圈内不同，低纬度地区的阳光辐射并不奢侈，因此许多“温室植物”得以在这里孕育而生。 当然，这些植物全是自己“造”的温室。 最为着名的塔黄Rheum nobile就是温室植物的代表，植物的平均高度可以达到 1.5m。塔黄淡黄色半透明苞片包裹其中的总状花序，能起到温棚的保温作用，内部花序温度比外部可高出 10℃左右，是吸引一些昆虫约会、进食甚至传宗接代的重要场所，当然昆虫们也会给它回馈——帮助传粉。 牺牲部分，保全大局，低温活下去更重要 在大自然中，莲座状结构可不止是几何美感，还藏着植物应对环境的智慧，这在一些旱生的多肉植物和高山极地植物中尤为多见。 生长在非洲高山的千里木属Dendrosenecio和半边莲属Lobelia植物是着名的大莲座叶丛代表，在长期进化下，已经完美适应了非洲的高山寒冷气候。不同于南北极的低矮苔原植物，它们没有极端低温和冻土层等因素困扰，因此植株可达数米高。 夜间急剧下降的低温是这些植物的首要面临的问题。巨大的莲座叶可以相互折叠形成类似于卷心菜的形状，保护卷叶内部的花芽不会受到夜间低温的伤害，一些物种甚至还会在入夜后叶片向内卷曲进一步隔绝冷空气。此外，卷心菜的构造，使得植物即使外部的结构被破坏死掉，也能保护内部的茎叶不被冻伤。部分这类高山植物卷叶还会分泌粘性液体，利用液体的比热大于空气比热，因此散热较慢的特点，保护了对于低温侵害十分敏感的花芽。在这些保护措施下，即使外面气温低于零度，植物内部气温依旧能够保证达到 2℃以上。 能利用环境固然好，自身能抗寒才能活得更好 对于能够生活在极地仙境美景的植物而言，除了高强的各套“外功”，更需要平实无华且又实用有效的“内功”。 在快速降温时，极地植物会通过调节体内高的渗透压，让钙离子快速地汇入细胞液，从而抵御低温带来的破坏。例如宽叶柳兰Epilobium latifolium会在花期突然遇到零下 3℃的低温，不过在解冻后，却安然无恙。掌握了这招以后，一些生长在北极的灌木种类，甚至在生长期还能耐受零下 8℃的低温。 地衣类植物可以通过调控抗冻蛋白和体内的渗透压控制，来解决低温下的防寒和生理生化活动。例如，一些叶状地衣可以脱水至 50%，依旧能够高效地进行呼吸作用，还有些可以在光照度很低的情况下进行光合作用。 另外，在极地苔原区域，一年生植物很少，多年生的宿根草本和低矮灌丛比较多。一年生植物犹如月光族的生活模式不适合极地严酷之地，没有能量和资源的存储和积累，几个月内必须完成开花结果，这对一年生植物来说太难了。 而多年生植物懂得将能量不断存储累积在根茎并形成庞大的储能组织，营养物质的积累周期可长达数年，为开花结果和度过漫长冬日时提供足够的资源。 在低纬度高山区域，地衣既是先驱者，也是领航者。在超过 6000 米的高海拔、寒冷、干燥、强辐射的环境中，一些地衣如鳞茶渍属Squamarina,，茶渍属Lecanora，鳞型衣属Gypsoplaca, 红盘衣属Ophioparma，地茶属Thamnolia，金丝属Lethariella等，依然坚强地生存着。 为了适应极端高寒干旱的环境，付出的代价就是生长速度十分缓慢。稍快的，例如雀石蕊Cladonia stellaris，每年可以生长 3.4mm；至于比较慢的，例如生长在加拿大北部的大奴湖的地图衣Rhizocarpon geographicum每年平均增长仅有 0.15mm。 因此，你在极地野外看到的一块巴掌大的地衣可能就有上千年的岁数。 然而，生长在北极圈的植物还得面对阳光辐射不足的挑战。 在北纬 75 度以上的区域，一年中几乎有 3 个月的日子看不见阳光。这就迫使这一地区的植物进化出了各种更加高效的资源利用技巧。 例如，与同类群高山植物的叶绿素比例相比，一些北极植物的叶绿素比例更高，能够在生长期保持更高的呼吸率和光合作用率，并将能量快速转化为糖和油脂类进行存储。再例如，一些羊胡子草通过中空的茎秆够存储大量的二氧化碳，其中部分能够被再次利用参与光合作用，使得能量利用效率增加，让一些禾草类植物能够在苔原快速增长并占据优势。（PS：不提南极是因为南极洲只有 2 种维管束植物） 花儿为什么这么艳？花为悦己者容 无论极地植物自己适应力多强，在极地活得多精彩，有本事繁衍生息才能真正站稳脚跟。 短暂的夏天仅仅只有 4-6 个月时间，它们必须完成生长、开花和结果的使命。要想成功完成这一重大任务，它们困难重重，首先是留给它们开花的时间非常短暂，其次是大家同时开花，就很可能要面临争夺有限的传粉昆虫的麻烦。 为了在短短数月内获得这些虫子的注意和青睐，争夺为数不多的熊峰、蛾子、蝴蝶和蚊蝇类等传粉昆虫，许多植物投其所好，用昆虫喜欢的鲜艳色彩组成了美丽壮观的花海，这种现象在水肥条件比较丰富的水湿环境尤为突出。 在争夺传粉昆虫的战争中，为了吸引昆虫的注意力，花往往需要长得更高、更大，因此，许多极地植物在开花上的投入和付出都是极为奢侈的，花型常常能远远超出本身植株的大小。每一次开花都是大自然造化的奇迹和留给人类最美的自然礼物之一。 每一个生命，看似简单，其实都不容易，但迎难而上，没有条件也要创造条件，生命就是有这样的魄力。 （特别感谢中国科学院昆明植物研究所王立松和王欣宇老师对地衣方面的鉴定和咨询） 作者：上官法智（云南一木生态文化）杨梅（中国科学院昆明植物研究所） 出品：科普中国 监制：中国科学院计算机网络信息中心 阅读原文
