今天仔细看看了新浪网上的十大科普作品的候选名单，真是包罗万象啊。有农科种植技术，有科幻电影，有生活常识，而真正的科学故事却难觅踪影，有一本最接近科普的书竟然是翻译过来的。再看那些候选书目发黄的外皮，不禁要问，中国现在没人写科普吗？作为一个科普人还真是汗颜。

最早的光合作用产物不是氧气，而是硫磺；最早的根的作用不是为了吸收水分；进化早期的植物都需要水环境才能繁殖。在植物进化的阶梯上有太多太多让人意想不到的故事。

植物进化的阶梯

撰文/史军
距今35亿年前，光合作用第一次启动了，地球上的生命世界从此有了稳定的能量来源。4.6亿年前，植物走上陆地，从此生命演化的舞台由海洋拓展到了陆地上。2.3亿年前，随着种子和花等一系列结构的出现，植物繁殖摆脱了水环境的束缚，最终将绿色洒向了地球上的每个角落，为动物在不同环境下的拓殖提供了基础，催生了包括人类在内的以不同方式利用植物的动物和微生物。最终形成了我们今天看到的这个多姿多彩的生命世界。让我们一起去重温植物进化历史上那一个个精彩的瞬间。

生命世界的发动机——叶绿体
当前，随着石油、煤炭这些传统化石燃料的日益短缺，世界各地的科学家都在绞尽脑汁开发可以替代传统燃料的新能源。他们不约而同的将目光投向了太阳，因为这个巨大的能源仓库每秒钟都会为地球送来17万亿千瓦的能源，相当于当今全球一年能源总消耗量的3.5万倍。然而我们现有的太阳能电池板转化效率太低，即使把地球表面都铺满也无法提供足够的电能。正当我们望光兴叹的时候，大自然早在几十亿年前制造出了精巧而高效的太阳能发动机——叶绿体。说叶绿体是生命世界的发动机一点都不为过。正是它们将太阳能转化为化学能，供自身生长繁殖，并通过食物链传递给动物和微生物，从而推动了地球生物界的生长，繁殖和进化。当然，如此重要而精妙的发动机并不是一朝一夕就能开发出来的，从“设计”到“定型”足足耗费了20多亿年的时间。
我们把目光投向40亿年前生命诞生之初的地球。这时的生命体都生活在原始海洋中，它们都是异养型的，也就是说，他们都不会制造营养物质，只能通过吞食分解有机物或者其他生命体供给自身生命所需。然而，环境中的有机物所提供的能源毕竟有限，为了能获得更多的生存机会，一些生命开始尝试利用太阳能之一巨大而稳定的能源。在大约距今35亿年前的时候，最初的光合生命——光合细菌登上了进化的舞台。它们可以利用自身合成的菌绿素来完成对太阳能的吸收和转化。但是这个原始的光合系统有着很大的缺陷。一方面，菌绿素转化光能的效率较低。另一方面，与现今植物利用水进行光合作用不同，光合细菌需要硫化氢作为反应物质。而硫化氢本身不稳定，且在环境中的含量较低，这大大限制了光合细菌进的“工作量”。尽管如此，光合细菌还是首次将太阳能引入了生命世界，为光合生物，乃至整个生物界的进化奠定了基础。
在随后的几亿年中，叶绿素a和藻胆蛋白替代了集光效率较低的菌绿素。在集光效率提高后，原先环境中“丰富”的硫化氢很快就消耗殆尽了。这时，出现了以蓝藻为代表的最早的植物，它们利用水——这种广泛存在，用之不竭的物质替代了硫化氢。这样就完全解决了光合作用反应物需求问题，同时，光合作用开始放出氧气，使整个生物界朝着能量利用效率更高的吸氧生物的方向发展。这时的植物还没有叶绿体，由色素和蛋白质组成的光合反应器——类囊体都分散在细胞质中。光合发动机初现雏形，但是效能还是不尽如人意。
在完成初步的工作之后，大自然开始着手设计效能更高的发动机。首先，用“价格低廉”且工作效率较高的叶绿素c代替了合成“费用”高昂的藻胆蛋白。由于叶绿a和叶绿素c组成的光合作用系统更适应于海洋中的光照条件，因此使用这种发动机的植物（如硅藻，海带等）虽然占领了海洋，却只能生活在水环境中。因此，大自然对这样的“潜水”发动机仍然不甚满意。经过改进，用叶绿素b替代了叶绿素c，最终设计出“原绿藻”型发动机——叶绿体，它们成为细胞中专门进行光合作用的场所。这样一来大大降低了能量传递的损耗，提高了光合作用的效率。经过磨合之后，这样的发动机终于具备了在水陆两栖条件下使用的功能，原绿藻也就成为现今所有陆生绿色高等植物的祖先。而这种强大的动力装置应用在所有绿色植物身上，直到今天。解决了能量来源之后，植物进入了发展的黄金时期，一场绿色革命就此拉开了序幕。

新建的能量工厂——叶片
在地球诞生之初，所有陆地都暴露在太阳剧烈的紫外线照射之下，生命只能依靠水来抵挡紫外线。因此最初的生命只能在海洋中和淡水中生存。在植物出现之后，光合作用逐步改变了大气的性质。大气中氧气的含量逐步增加，并且在紫外线的作用下氧气形成了臭氧。臭氧层吸收了部分紫外线，减弱了地面的紫外线照射强度。为生物登陆创造了条件。此时，植物开始了登陆的尝试。
俗话说，“兵马未动，粮草先行”。要想在陆地上生存，首先就要解决吃饭问题。植物在水中生活时，气体和养分都可以在水和细胞之间直接交换得到，并且毫无缺水之忧。而一旦走上陆地，情况就大不相同了——陆地上取法水分，并且二氧化碳和氧气的浓度要比水中的高得多。藻类植物的简单设备不仅无法进行正常的能量生产，甚至不能保证不脱水。于是一种新的能量工厂被建设起来，那就是叶片。
首先，出现防止叶片中水分快速丧失的叶表皮结构。这层透明的组织在允许阳光透过的同时，将水分锁在了叶片内部的叶肉细胞中。然而，仅有坚实的表皮还远远不够，因为光合作用还需要进行气体交换。如果表皮仅仅是一层严实的外壳，那二氧化碳也进不去，氧气也出不来，整个反应也就无法进行了。因此植物在表皮上还留下了许多可以开合的进出关口——气孔。有了这些关口，植物就可以在适当的时候引入二氧化碳放出氧气，并且可以在水分过多时，适当排出水分。这样一来，表皮内部的叶肉细胞就可以安心的进行光合作用了。

告别漂泊——根
一提到根的作用，大家可能首先想到吸收水分和养分供植物生长。这两项是绝大多数植物根系的本职工作。然而，最早出现的根，作用却并非吸收水分和养分而是将植物体固定在一个位置上，这种早期类型的根被称为假根，大型藻类（如海带）和苔藓所拥有的根就是假根。之所以称其为假根，是因为在这些根内部没有运输水分和养料的通道，并且在根的表面没有吸收水分和养料所需的根毛。它仅有的作用就是固定植株。
在大型藻类和苔藓植物出现之前，植物（如单细胞藻类、球藻）的构造都比较简单，他们对外界的适应性较强，所以几乎都过着随波逐流的生活。而其后出现的大型藻类植物却需要相对稳定的环境才能生长和繁殖。因此，部分细胞特化成了假根。尤其是对于登上陆地的苔藓植物，假根可以将它们固定适合的生活环境中，降低风吹和水流的影响，提高生存几率。
正当苔藓植物在陆地上艰难站稳脚跟准备向前迈步的时候，忽然发现陆地上的大多数水都藏在土壤中。并且陆地上的矿物营养都是以固体形态出现的。苔藓的假根显然无能为力，于是它们只能收回迈出去的步子，退居到水边和潮湿环境中去了。

支撑绿色世界——维管系统
虽然苔藓植物在征服陆地战役中败下阵来，这丝毫没有影响继任者的脚步。带有完整的土壤取水，输水系统的植物很快出现了（当然这里的快只是相对于漫长的地质年代来说，这个过程大约经历了3000万年）。蕨类植物是第一种能够在陆地上广泛分布的植物。之所以能取得成功，它们体内的维管系统功不可没。
在蕨类植物根和茎的皮层中存在首位相连的细胞（管胞），它们就是负责将水分和矿物质从根运送到叶片，并将光合作用生产出的养分从叶片送到根系的通道。这样专业的运输队伍，使运输效率成倍提高，也使得蕨类植物的个头可以比苔藓植物大得多。在蕨类植物中，水分和养料的运输都使用同一条通路。在更进化的裸子植物和被子植物中，这两条路线被分隔开来，枝干中心木质部里的导管负责向叶片运输水分，而树皮中的管胞则负责从叶片向根运输养料，从而进一步提高了运输效率。
光有运输管道还不够，因为水分不会自己顺着管子从植物的根系爬到距地面几米甚至几十米的叶片上去。人类为了将水送到高处，使用了水泵。而植物的水泵又在哪里呢？它们枝头除了树叶除了叶片再也没有其它的东西了。难道叶片可以为输送水分提供动力吗？不错，这些大大小小的叶片正是一个个小型“水泵”。在日光照射下，叶片中的一部分水分会以水蒸气的形式通过气孔释放出去，蒸腾形成的升力将水分从根部的提了上来。
至此，蕨类植物已经有了比较完善的适应陆地生活所需的技能，它们甚至在距今2.7亿至6500万年之间的恐龙时代盛极一时。但是它们仍然有致命的缺陷，那就是依靠水环境繁殖的繁殖方式。蕨类植物的孢子一定要在潮湿的环境下才能萌发形成雌雄配子体，雄配子体形成精子只有在水分充足的条件下才能游向雌配子，并最终与雌配植体上卵子结合形成合子，再发育成完整的植株（孢子体）。正是由于这个缺陷，在距今6500年前开始的气候变化中，蕨类植物无法忍受日益干燥的气候，逐步退缩到陆地上潮湿区域。这时，裸子植物和被子植物带着他们的秘密武器登场了。

为了下一代——花和种子
为了克服干旱的环境，裸子植物首先为精子制造了简易的运输包装——花粉粒。这个装置可以带着精子在干燥的空气中飞翔。只要落在合适的地点——雌配子体顶端，花粉就会萌发将精子释放出来，让它与雌配子体中的卵子相结合形成合子，再进一步发育成种子。
裸子植物的雄配子体和雌配子体已经极端简化，它们的生长位置也固定在了一些特定的叶片上，即产生雄配子的小孢子叶和产生雌配子体的大孢子叶。今天我们还可以从苏铁身上看到原始的大小孢子叶的影子，虽然它们还保留着叶片的形态，但已经失去了光合作用的能力，专司繁殖了。在随后的进化中，大小孢子叶日益特化，分别聚合形成大孢子叶球（雌球花）和小孢子叶球（雄球花）。从此，植物繁殖有了相对稳定的场所，并且完全摆脱了水环境的限制。
在裸子植物繁殖中，花粉都是靠风力送到大孢子叶球上的。虽然这种运输方式简便易行且不用支付运输费用，但运输效能却极为低下，绝大多数花粉都不能被送到指定位置。为了保证授粉，裸子植物一般都会制造出大量的花粉。但这样一来，不可避免地造成了资源的浪费。同时，也给那些花粉过敏的人带来了不少麻烦。
被子植物的出现打破了这一僵局。很多被子植物利用动物将花粉准确有效地送到目的地。当然，动物不会做义务劳动。被子植物为它们准备了花粉和花蜜，动物在一朵花上享用大餐时就将花粉带在身上，当他们去下一朵花赴宴的时候，就会将花粉传到指定的位置上。然而，酒好也怕巷子深，如何把动物吸引到花上，并让它们把花粉准确地送到目的地呢？被子植物为此准备了信号灯和指示牌——美丽的花瓣和丰富的花香。并且不同的招牌对应不同的传粉者。比如说，蓝色或者黄色且气味香甜的花朵（如龙胆、迎春花）主要是由蜜蜂或者熊蜂传粉的，而红色没有气味的花朵（如芦荟）则是由鸟类传粉的。这样一来，就形成了我们今天所看到的五彩缤纷的花儿世界。虽然虫媒传粉具有很高的效率和精确性，但是制作“广告牌”以及支付传粉者“工钱”需要消耗植物大量的能源。所以，很多被子植物依然沿袭了裸子植物依靠风力传粉的传统。
除了花粉，裸子植物和被子植物还发展出了种子这一重要的繁殖结构。这样一来，大大提高了植物幼体抵御干旱低温等不良环境的能力。在重皮的保护下，种子可以在地下休眠几年，几十年，甚至上千年，直到环境适合时才萌发生长。同时，有了这种保护结构，使植物可以将下一代传播到遥远的地方。
为了适于远距离传播，很多植物（如枫树，杉树）的种子装备了风力滑翔装置（翅），可以借着风力飞到很远的地方。而有些种子（如苍耳）装备了尖刺，他们可以附着在动物的皮毛上，随动物远行。更多的植物将种子藏在可口的果肉中，当动物吞下果子时，这些种子也就开始了旅行。那些没有被消化掉的幸运儿，在被动物排出之后，就在一个新的环境下扎根生长了。
至此，被子植物制造出了所有适于在陆地上生长和繁殖的秘密武器——叶片、根、维管系统、种子和花。带着这些秘密武器，被子植物最终成为植物界的霸主，占据了除南极洲以外的每一块大陆。正是它们为丰富多彩的生物界提供的庇护场所，让地球充满了勃勃生机。

从叶绿体到叶和根，从维管系统到种子和花，植物踏着一级级坚实的台阶走到今天。当第一个光合细菌开始利用太阳光制造营养物质之时，它一定不会想到，它的子孙后代将遍及全球，并最终成为生命世界的基础。今天，很多植物在人类活动的影响下迅速消亡了，但是还有很多顽强地生存了下来，特别是那些被人类视为“恶性杂草”的种类（如紫茎泽兰，微甘菊等），也许这些“恶性杂草”正代表了未来植物的发展方向。人类很难加以控制，恰恰说明它们拥有强大的适应力，而适应不正是自然界的基本法则吗？也许有一天这些植物的子孙将迈上新的进化台阶，延伸到地球的每个角落，继续讲述植物进化的神奇故事。

《森林与人类》2008年第4期

今天去单位卫生间注意到门背后贴着一张纸，上面写着，“举手之劳，方便后请冲水”。看着脚踏式的冲水按钮，无语。。。。。