寒冷氣候的象徵,苔原上的標誌性「神奇」植物——仙女木!

2021-01-19 科學事兒

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在植物界,不同的植物適應不同的生存環境。在溫暖、溼潤、肥沃的土壤中,植物生長茂盛,種類繁多。然而,在高緯高寒、苦寒的地方,植物的身影稀少,只有抗寒品種勇敢地生存下來。在遼闊的北極凍土帶和高聳的長白山山頂上,就有這樣一種頑強的植物,被譽為寒冷氣候的象徵——仙女木。

走近苔原

在介紹仙女木之前,讓我們先了解一下苔原。

苔原,又稱苔原,是生長在極冷的永久凍土上的生物群落。主要是由地衣、苔蘚、多年生草本和小灌木組成的低植被。凍土帶分布於極地或高山凍土區。極地圈內的凍土帶位於極地偏東帶,風速很大,存在明顯的極地晝夜現象。極地凍土帶終年為冬季,年平均氣溫低於0℃,夏季氣溫僅為0~10℃。此時,只有表層土壤融化,下面是厚厚的凍土。降水被多年凍土阻擋,很難滲入地下,形成一片沼澤池塘。凍土帶的降雨量不到250毫米,但由於蒸發量很小,氣候仍然非常潮溼。

這些因素使生活在這裡的植物不僅能適應潮溼的氣候,而且能承受寒冷帶來的生理乾旱。幸運的是,長期的進化使苔原植物具有了特殊的適應極地嚴酷環境的能力,使嚴寒苦寒地區具有了生命力。例如,苔原基本上是多年生常綠植物,可以充分利用短營養期,而不必花時間長出新葉,完成整個生命周期。然而,苔原植物營養期短,生長速度極慢。例如,北極地區的北極柳樹的枝條一年只長1-5毫米。換言之,一旦我們破壞了那裡的生態環境,恢復過程將非常困難和漫長。

對於高山苔原來說,生存環境更加惡劣。高山凍原的土層很薄,下面是貧瘠的火山巖。這裡的氣候非常寒冷,但是紫外線很強。每年6月積雪融化,但到10月山就封山了。在這短短三個多月的生長期內,近一半時間是暴雨大風天氣。在我國,高山苔原只分布在兩座山上,一座是阿爾泰山,另一座是東北的長白山。

初識仙女木

在介紹苔原之後,讓我們了解仙女木。

仙女木屬於薔薇科仙女木。本屬有三種,包括兩種,一種是東亞,另一種是闊葉。

仙女木是一種常綠矮小亞灌木,高約10釐米,木質根;莖叢生或匍匐在地上,基部多分枝。葉互生,橢圓形或近圓形,表面深綠色,背面白色毛;託葉膜質,披針形,貼生於葉柄,宿存。花單生,花梗密被白色柔毛,僅生一朵雌雄同體花;花瓣6-10片,常8片,白色,斷續黃色;雄蕊金黃色,游離。瘦果宿存,卵球形,棕色,先端具宿存花柱,羽狀柔毛。花期6~7月,果期7~8月。

仙女木是典型的高緯植物,具有極強的耐寒性和耐旱性,也是凍土帶的優勢種。其植株矮小,緊貼地面,常聚攏成墊狀。多瓣小花凋謝後,產生的種子與鐵線蓮非常相似。在乾燥晴朗的天氣裡,它會打開蓬鬆的「降落傘」,讓風吹來,把種子帶到四面八方。

在仙女木分布的北極凍原,植被稀疏,沒有小灌木,苔蘚稀少且不連續。主要分布於吉林(長白山、撫松山)和新疆(天山)。它們也分布在韓國、日本、堪察加半島和俄羅斯的薩哈林群島。在海拔2000-2800米的高山礫石區、高山凍原帶和凍土帶,人們經常能看到大面積的仙女木鱗片生長。

抗寒之謎

苔原氣候如此嚴酷,仙女木依靠什麼樣的能力抵禦寒冷?

放低身段。仙女木經常暴露在寒風中。為了適應環境,這種植物在靠近地面的地方蔓延生長,形成一個緊湊的床墊形狀,以保持非常寶貴的熱量。

披上外衣。仙木木葉非常堅硬,頂部有很多褶皺,全身密布著白色絨毛,就像披上了一層毛茸茸的外衣,對保溫和防止水分流失起著非常重要的作用。

深度睡眠。仙女木有休眠的習慣。秋風驟起,白天變短,氣溫下降,人體會合成一種植物激素脫落酸(又稱休眠激素)。當脫落酸被轉運到仙女木的頂芽和側芽上時,這些組織的代謝功能受到抑制,植物進入休眠狀態以度過漫長的冬夜。

糖液禦寒。冬季低溫來臨時,仙女座體內積累的蛋白質和澱粉在酶的作用下水解成可溶性胺基酸和糖類,從而提高細胞液濃度,降低體內含水量,使細胞不易凍結,有利於提高細胞的活力自身的抗寒性。

「特殊」水。水是生命之源,但有時它會變成一隻黑手,殺死生命。植物體內有兩種水,一種是游離水,另一種是「結合水」或「結合水」。自由水的分子排列雜亂無章,可以到處流動。

當嚴寒來臨時,植物細胞內的游離水會形成冰晶,導致細胞正常的生理活動。更重要的是,冰晶會衝破細胞壁,植物會「凍死」。混合水是完全不同的。表面上,結合水與普通水沒有區別,但其分子以非常整齊的「形態」排列在植物組織周圍,與植物組織以化學鍵的形式緊密「結合」,不易分離。有趣的是,束縛水的「性情」與自由水大不相同。束縛水只有在溫度高於100℃時才沸騰,凍結溫度遠低於0℃(40℃以上不允許凍結)。在嚴寒季節,植物體內游離水減少,結合水比例增加。由於結合水的凍結溫度遠低於0℃,結合水含量的增加無疑會提高仙女木的抗寒能力。

高山精靈

野生植物是重要的自然資源,在維護自然生態平衡方面發揮著不可替代的作用。仙女木屬低矮匍匐植物,對長白山高山凍原具有良好的水土保持作用。

在科學研究中,仙女木是記錄地球氣候變化的活化石。年輕的地質學家和氣候學專家用它來命名。近代,瑞典科學家通過鑽探研究了丹麥哥本哈根北部阿爾烏德段的粘土層,發現了八瓣仙女木的花粉。這一層仙女木花粉出現在11000年前,但時間跨度很短,只持續了約1000年。作為一種喜冷的草本植物,仙女木通常只生長在寒冷的北極地區。然而,科學家在北大西洋周圍的地層中發現了大量的仙女木花粉,這表明當時的歐洲確實和極地一樣寒冷。此時,地球已進入3000多年的暖間冰期。因此,人們用「新仙林」來代表最後一次冰河時代的最後一次寒冷事件。仙女木花粉是來自科學家的證據,證明當時氣候變冷了。

為了躲避強風,生長在高山上的闊葉仙女木把莖展在地上,只把橢圓形的葉子儘量向外伸展。七月中旬的盛開期,廣袤的苔原仿佛鋪上了一層五彩繽紛的仙人地毯,盛開的白花盡情地向世人展示著它的美麗。到了8月的結果期,雖然花兒凋謝了,但花柱依舊,上面飄著白羽般的絲髮,真是太美了。

除了野性的外表,人們還可以把仙女木引種到自己身邊。可作為盆栽植物,高海拔城市的地被植物,也可種植在巖石花園中裝飾多彩的世界。

苔原植物的特徵

極地凍原種類較少,約100-200種,南部約400-500種。苔原植被在長期的演化過程中形成了許多獨特的能力,有利於在惡劣的自然條件下生存和繁殖。

(1) 苔原植物通常多年生,很少一年生。這是因為寒冷地區的植物生長期太短,無法完成整個發育周期。

(2) 它們大多為常綠植物,夏季可充分利用陽光進行光合作用,不需要花費時間和精力來形成新葉。

(3) 它們通常是匍匐和墊狀植物,是抗風、保溫和減少植物蒸騰作用所必需的。

(4) 枝葉與地下器官的比例為1:5。地面上的基本組織非常小。大多數細胞直接參與食物的生產和儲存。地上的老葉起到保護莖生長點的作用,彌補了明顯的芽鱗不足。

(5) 苔原植物通常有大的花和花序,這與苔原的光照條件有關。

(6) 凍土帶的長日照使這裡有可能長日照植物,而且它們縮短了在北極短暫夏季生存的營養期。然而,長日照植物阻礙了地下貯藏器官(如球莖和塊莖)的形成。

(7) 許多植物具有很強的抗寒性,在開花期能耐寒。

新仙女木事件

地球上的氣候條件不是固定的,而是呈現周期性的變化。歷史上,有許多冷暖交替的現象。第四紀冰期末期,冰蓋急劇擴張。大約2萬年前到1.8萬年前,冰蓋達到頂峰;到1.2萬年前,地球從冰期開始逐漸進入明顯的持續升溫期,到9000年前,地球完全進入暖間冰期。然而,在1.1萬年到1萬年之間,地球上有一個短暫的冷卻期,在此期間冰川再次擴張,海平面下降。結果,地球陷入了1000年的冰雪之中。這種典型的突然驟冷的離軌事件在地質學和氣候學中被稱為「新仙女木事件」。這一事件還導致仙女木從今天地球的冷溫帶高緯度地區向陽光直射的低緯度地區擴散。例如,在北美和歐洲較溫暖的地區發現了仙女座的土壤層,有些仙女木的足跡甚至到達了今天的赤道地區。這一時期對應於東南亞中晚期石器時代。

「新仙女木事件」徹底改變了西南亞早中石器時代人類聚居的生活方式,促使西南亞中石器時代的人們開始種植野生穀物,從而走上了農業發展的道路,改變了人類發展的進程。

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