沙漠中的生存智慧

徐峰 張靜 徐貴青 馬健 李彥

都說沙漠是“死亡谷”，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡劣，具有地溫高、溫差大、多風(fēng)多塵、日照強(qiáng)、溫度低等特點(diǎn)。特有的環(huán)境使我們認(rèn)為這里應(yīng)該沒有多少生物存在，但走進(jìn)沙漠，我們會發(fā)現(xiàn)這里并不乏生物種群，且因為沙漠環(huán)境的特殊性，生物類群、數(shù)量和分布也呈現(xiàn)了特殊的規(guī)律性和多樣性。

“死亡之海”里的精靈

在新疆天山以南的塔里木盆地有一個大沙漠，名字叫塔克拉瑪干沙漠，它是世界第二大流動沙漠。長期以來，塔克拉瑪干沙漠都被人們稱為“死亡之海”和“生命禁區(qū)”。但就是在這片“死亡之海”里，卻分布著鳥類、獸類和爬行類動物，并且有些還是這個地區(qū)獨(dú)有的物種，比如白尾地鴉。

地鴉是一類喜歡在地面活動的鴉科鳥類，這類鳥一共有4種，中國有2種，分別是白尾地鴉和黑尾地鴉，其他2種叫土庫曼地鴉和波斯地鴉。因為白尾地鴉的尾巴是白色的，為了和黑尾地鴉相區(qū)別，所以被命名為白尾地鴉。除了尾巴是白色的，翅膀上有黑白色斑以外，白尾地鴉身體大部分區(qū)域是和沙子類似的土黃色，這可以使它們更好地融入沙漠背景中，不易被天敵發(fā)現(xiàn)。這種動物身體顏色與生活環(huán)境顏色一致或相近的現(xiàn)象，在動物學(xué)中被稱為動物的保護(hù)色現(xiàn)象，是動物自我保護(hù)和適應(yīng)環(huán)境的方式。

白尾地鴉主要生活在塔克拉瑪干沙漠腹地和周邊的區(qū)域。它們在這里的灌叢內(nèi)部做巢，這樣既隱蔽安全，又不用擔(dān)心巢直接暴露在陽光下太熱太曬。白尾地鴉喜歡在流沙區(qū)域?qū)ふ沂澄铮捎谀_趾較長，受力面積大，因此它們可以很輕松地在流沙上奔跑，而不用擔(dān)心腳會像人在沙地上行走時那樣陷入到沙子中去。白尾地鴉的鼻孔比一般的鳥要大，這樣有利于散熱，因為沙漠中晝夜溫差大，在4月春季的中午，溫度都可以輕松達(dá)到30多度。另外，它們的鼻孔中還有毛，這可以阻擋住相當(dāng)一部分沙塵隨著呼吸進(jìn)入體內(nèi)。

白尾地鴉的食物主要是當(dāng)?shù)氐睦ハx和蜥蜴等爬行動物，昆蟲主要是各類甲蟲，蜥蜴則主要是葉城沙蜥和南疆沙蜥。沙蜥通常白天出來活動，夏天中午沙漠溫度高的時候，沙蜥會躲在沙子中挖的洞里休息，我們在野外就曾經(jīng)看到過白尾地鴉在沙漠里用嘴一個一個挖沙蜥的洞，捕捉洞里的沙蜥或者沙蜥產(chǎn)的卵，帶回巢里喂小地鴉。

白尾地鴉的天敵主要是猛禽，也就是我們通常叫作老鷹的一類鳥，從分類學(xué)上講，它們包括鳶、鵟（kuáng）、隼等這幾類鳥。2018年4月，我們開展白尾地鴉繁殖研究的時候，就拍到過一段白尾地鴉巢被棕尾鵟襲擊的全過程。白尾地鴉的巢一般會建在比較隱蔽的灌叢中間部位，不易被發(fā)現(xiàn)，但是一旦被天敵發(fā)現(xiàn)，白尾地鴉幾乎是毫無辦法。棕尾鵟的體型比白尾地鴉大十多倍，一旦它們出現(xiàn)，白尾地鴉鳥媽媽就飛出巢，在離巢十多米遠(yuǎn)的地方發(fā)出報警的鳴叫。但是鵟已經(jīng)發(fā)現(xiàn)白尾地鴉的巢了，它直接飛到巢里，把巢內(nèi)的3只小白尾地鴉全部吞入肚子里飛走了，整個過程不到1分鐘。

不可貌相的“荒漠地毯”

如果5月中旬前往新疆準(zhǔn)噶爾盆地的古爾班通古特沙漠，你會覺得就仿佛置身于茫茫草原之中。為什么會有這種感覺呢？作為中國最大的固定和半固定沙漠，古爾班通古特沙漠分布有多種植物類群，包括小喬木、灌木、短命和類短命植物等，其中短命植物在這個季節(jié)盛開著五顏六色的花朵，十分漂亮。此外，你可能不會留意到沙漠地表生物土壤結(jié)皮的存在，因為從外觀看，它是那么不起眼。但是，正是因為有了它的存在，才使得古爾班通古特沙漠披上了一層“地毯”，讓沙漠不易起沙，從而有效維持了該沙漠地表的穩(wěn)定性。

那么，究竟什么是生物土壤結(jié)皮呢？原來，它是由細(xì)菌、真菌、藍(lán)綠藻、地衣和苔蘚植物等孢子植物類群與土壤形成的有機(jī)復(fù)合體。根據(jù)優(yōu)勢生物組分，可以將生物土壤結(jié)皮分為微生物結(jié)皮、藻結(jié)皮、地衣結(jié)皮和苔蘚結(jié)皮。微生物結(jié)皮中的細(xì)菌、真菌、藻類是肉眼難以分辨的，只能借助顯微鏡放大后才能觀察到;而地衣、苔蘚則肉眼可見。理論上，生物土壤結(jié)皮的形成過程遵循從簡單到復(fù)雜、從低等到高等的規(guī)律，其形成過程通常分為4個階段：前藻結(jié)皮階段、藻結(jié)皮階段、地衣結(jié)皮階段和苔蘚結(jié)皮階段。當(dāng)環(huán)境條件適宜時，生物土壤結(jié)皮也可以不經(jīng)歷其中某個階段而直接發(fā)育到更高級的階段。

“荒漠地毯”最神奇之處在于它會魔術(shù)秀，能夠“變色”。這是因為組成生物土壤結(jié)皮的苔蘚植物是一類變水植物，對外界水分變化響應(yīng)十分敏感。由于沙漠長期干旱少雨，苔蘚植物往往處于休眠狀態(tài)，呈黑褐色，一旦有可利用的水分時就能夠迅速吸水呈現(xiàn)綠色。科學(xué)家對這一特殊的“變色”過程進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)這類荒漠蘚類植物在失水高達(dá)98%時也不會因缺水而死亡，有水時可立刻復(fù)活，復(fù)活時間只需要短短的5秒鐘。因此，荒漠蘚類植物這一神奇本領(lǐng)可用“干而不死（98%），死而復(fù)生（5s）” 這8個字形象地概括。

我們都知道，植物一般都是利用根來獲取水分的，而蘚類植物不具有真正的根，只有起支撐和附著作用的假根，那么，它是如何快速吸收水分的呢？通過對比實驗，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)荒漠蘚類齒肋赤蘚（Syntrichia caninervis）葉片頂端具有白色的毛尖，不但可以反射強(qiáng)光，降低表面溫度，而且還能夠吸收空氣中的水分。也就是說，荒漠蘚類植物吸水不用“根”，而是通過它的毛尖“自上而下”吸水。這一觀點(diǎn)突破了以往荒漠植物“由下而上”吸收水分的傳統(tǒng)認(rèn)識，為人類在干旱區(qū)設(shè)計仿生集水器提供了思路和理論基礎(chǔ)。

通過更進(jìn)一步地研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)荒漠蘚類植物體內(nèi)具有“開關(guān)”基因，在失水和復(fù)水等過程中起著關(guān)鍵作用。此外，荒漠蘚類之所以能夠在如此惡劣的沙漠生境中生存，必然有它自身的強(qiáng)大本領(lǐng)。研究發(fā)現(xiàn)，荒漠蘚類植物體內(nèi)具有豐富的抗逆基因資源，使其具有抗旱、抗寒、耐高溫和耐貧瘠等抗逆特性。

干旱中的生存智慧

梭梭是一種藜科梭梭屬植物，分布在年降水量為30～200 毫米的中亞干旱荒漠區(qū)。在中國主要分布在準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地東北部、河西走廊、騰格里沙漠、巴丹吉林沙漠、烏蘭布和沙漠，是國家三級瀕危野生植物。古爾班通古特沙漠中植被的主要建群種是梭梭，它在防風(fēng)固沙和保衛(wèi)綠洲中履行著重要的生態(tài)功能。

作為一種超旱生小喬木，梭梭在長期適應(yīng)干旱生境的過程中，形成了獨(dú)特的形態(tài)結(jié)構(gòu)，具備了特殊的生存策略。其枝干韌皮部極度退化，木質(zhì)部非常發(fā)達(dá)、堅硬，表面呈灰白色，能夠反射陽光照射，減輕水分蒸騰和高溫對樹體的灼傷。梭梭的葉子已經(jīng)退化為鱗片，依靠新生綠色枝條（同化枝）進(jìn)行光合作用。梭梭同化枝的保水能力很突出，非常不容易蒸發(fā)失水。同其他旱生植物相比，梭梭的同化枝細(xì)胞具有很強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力。為了避開夏季的酷熱和干旱，梭梭還進(jìn)化出夏眠的神奇特性，春季開花，子房夏季休眠，直到秋季氣候涼爽再發(fā)育成熟果實。

對于多數(shù)植物而言，大氣蒸騰消耗掉植物的水分，也使植物的葉片產(chǎn)生負(fù)壓水勢。葉片負(fù)壓水勢通過植物內(nèi)部木質(zhì)部導(dǎo)管向下傳導(dǎo)，一直傳導(dǎo)到植物的根部，把土壤水吸入根部;然后靠負(fù)壓水勢把水分提升到植物上部，又進(jìn)入葉片。梭梭的葉片退化后，水分蒸騰就非常有限，梭梭同化枝細(xì)胞里面的液泡，可以存儲大量的鹽分物質(zhì)，將鹽分隔離起來，且只能進(jìn)入不能滲出，從而減輕鹽離子的傷害;更為重要的是形成很高的負(fù)的滲透勢，使得梭梭同化枝有很高的負(fù)壓，能夠把水從含鹽的干旱土壤當(dāng)中吸上來。

在個體生長發(fā)育過程中，梭梭始終保持了生物量的地下優(yōu)先分配—即優(yōu)先長根。這是梭梭重要的生存策略：將光合產(chǎn)物投入地下，一方面在濕潤的土壤斑塊或土壤層生長和發(fā)育更多的吸水根，以獲取水分維持存活;另一方面不斷向下生長的主根，可以深達(dá)地下十幾米，達(dá)到地下水位，通過汲取地下水規(guī)避夏季大氣和淺層土壤干旱，確保植物的存活。

此外，在干旱地區(qū)，由于地表強(qiáng)烈的蒸發(fā)，通常認(rèn)為5毫米以下的降水是無效降水。但是梭梭樹冠特殊的無葉結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對微量降水的引流，并形成沿樹干和根系的優(yōu)先流，最終進(jìn)入土壤，在根區(qū)土壤儲存，使根系能夠有效吸收利用。梭梭的這種自集水功能，可以把1、2毫米的降水轉(zhuǎn)化成植物可以利用的有效降水。由于梭梭的自集水功能，使得在主根的最前端存在一個土壤濕潤鋒面，基于根系的“向水性”，誘導(dǎo)植物的根系向下生長，穿過干沙層，扎入淺層地下水中，這也是梭梭為什么可以深根的一種解釋，然而有關(guān)梭梭為什么可以深根仍然有更多的奧秘需要去探索。