丰收图里你没注意的可怕秘密:粮食原本都会逃跑

把科学带回家 2022/11/7 20:18:51 责编:远生

在我们的印象中,麦子、稻子成熟后,重重的穗子把它们的“腰”都压弯了。

可是你可能没有想过这样一个问题:为什么成熟的种子会挂在母体上,不会掉下来?

这个问题的答案可能会让你惊掉下巴,那就是:掉下来的谷子会跑路。

许多野草的祖先的种子会跑路,我们先来看看其中一种最“会”的 —— 燕麦的近亲不实野燕麦(Avena sterilis)。

不实野燕麦(图片来源:wikimedia)

不实野燕麦是小麦和大麦地里的常见野草,适应力极强,除了南极洲哪个大洲它都能混。它的种子可能是在三千-四千年前随着小麦和大麦的种植从中东向欧洲和其他地方扩散的。

大家看到了吧,不实野燕麦的种子从母体脱落掉到地上后,就展现出与生俱来的功夫 ——

不实野燕麦(图片来源:见水印)

一个鲤鱼打挺,再一个凌波微步,就跑出好远了。难怪不实野燕麦也叫动麦(animated oat)。

不实野燕麦(图片来源:见水印)

细心的你可能发现了,不实野燕麦在跑路的时候,两根呆毛一直在不停地转,它的运动和呆毛有关吗?

没错,这种运动确实依靠的是呆毛 —— 芒。不过,它并不是有意识地运动,它跑路的动力并不来自自身,而是来自空气。

具体过程是这样的:不实野燕麦的小穗可以在成熟前轻松脱落,掉到地面上。

不实野燕麦(图片来源:见水印)

这两根长芒靠近种子的部分具有不对称的吸水能力,其中一边可以吸水膨胀,而另一边一直保持干燥。

不实野燕麦芒的基部随着湿度变化打卷。(图片来源:DOI: 10.1016 / j.actbio.2021.08.048)

白天热量和湿气积聚在长芒表面,晚上再变凉变干。在不断的润湿和脱水的过程中,这种不对称吸水的芒会让种子一直不停地朝一个方向旋转。这样一来,种子就可以连夜越滚越远,实现扩张。

不实野燕麦的自主运动。(图片来源:GRU Information Resource)

当种子掉在夹缝中,这种呆毛机械还可以让种子往下继续打洞,保证其接触土壤,顺利发芽。

不实野燕麦钻入土中。(图片来源:GRU Information Resource)

看,“天线饱苞”自己钻到石头缝下面去躺好了。

换言之,不实野燕麦的种子是一种湿气驱动的生物引擎。而这种通过湿气实现的自主运动被称为吸湿运动(Hygroscopic movement)。

不实野燕麦遁地。(图片来源:BYUI Applied Plant Science Department)

当然,不仅不实野燕麦有这种本事,咱们的主食基本都有满地打滚的功夫。因为除了荞麦跟藜麦以外,几乎所有的人类主食(如水稻和小麦)都是禾本科植物,而早在 1979 年,研究者就发现禾本科的许多植物都能够跑路。

那年,澳洲昆士兰大学的植物学研究者 Martyn H. Peart 首次通过实验证明,禾本科(Graminea)的众多种子能够“行走”。

这是因为,禾本科的种子通常都长有呆毛 —— 芒。他采集了 6 种带有呆毛的不同品种的禾本科野草,发现它们都会跑路。而去掉呆毛后,它们都不会动了,只能在地面躺平,发芽率也急剧降低。

希伯来大学的植物学家 Rivka Elbaum 和 Abraham Yael 指出,其实所有植物种子的传播都依赖吸湿运动,只不过一些像禾本科植物这样靠滚,一些像芝麻那样靠炸,一些靠打地洞。

我们来看看小麦“滚滚”。

小麦(图片来源:wikimedia)

小麦的芒也是一个生物引擎。为了保证滚的时候不会打滑,小麦的呆毛是硅质的,摩擦力很大。土壤的硬质成分也是含硅化合物,硅硅相撞不能消除,只能增加摩擦。

小麦的呆毛还有防“倒车”的技能。大家看到下面图片里的毛刺了吗?这种毛刺类似于齿轮上防倒转的棘齿,可以防止种子逆向行驶。因此小麦种子只能一直往外滚了。

小麦芒上的毛刺防止它在滚动的时候倒转。(图片来源:doi:10.1126 / science.1140097)

除了滚以外,小麦的芒还有弹射的技能。

2007 年发表在 Science 上的一项研究将小麦种子的运动比作青蛙腿,湿度的变化可以推动种子弹射。

这是如何实现的呢?一旦小麦的呆毛交叉,无法动弹的时候,应力就会积聚,让呆毛变得像压缩的弹簧一样。一旦应力累计到一定程度,呆毛就会让种子向外弹射。

Science 的这项研究指出,小麦的这种设定完美地利用了自然环境。

新月沃土所在地(红)(图片来源:wikimedia)

因为在小麦的老家 —— 两河流域的新月沃土(位于今天以色列、叙利亚、伊拉克和土耳其附近),夏季干旱而漫长,冬天则是短暂的雨季。小麦种子成熟的季节正好是旱季,但夜晚湿度略高。小麦的种子恰好利用了自然界气候的昼夜变化,让自己能愉快连夜跑路,实现广泛自动化远距离无人传播。

这种连滚带爬的技能对植物来说自然好处多多,但是人类不会喜欢。种子都跑光了人还吃什么?

水稻(Oryza sativa)。(图片来源:wikimedia)

于是,我们的祖先选育了那些比较胖、不会跑路,甚至不会掉地上的谷物。

Elbaum 和同事指出,小麦大约在 1 万年前被驯化,人类故意选育了那些跑不动的胖种子;在被驯化的小麦中一些品种没有芒,剩下的肥崽子跑不动并不是因为腿短,而是因为根本没办法下地。

Elbaum 他们进一步指出,实际上,为了防止小麦跑路,人类的祖先做的另一件重要的事情就是文章开头提到的:从一开始就防止种子掉地上。

种子成熟后掉地上的行为被生物学家称为脱粒(shattering)。实际上,农业研究的一大课题就是找到控制脱粒的基因,这样就可以驯化有特殊技能的野生谷物了。

不脱粒的红米(左 1)和脱粒红米的对比。(图片来源:FAO)

野生小麦很容易脱粒,因为控制它的是显性基因。但是在小麦驯化的过程中,会脱粒的小麦被人类刻意淘汰了。然而,被驯化且还有芒的小麦的躁动基因还保留着,它们的种子依然会根据环境湿度的变化动次打次 ——

小麦的芒随着空气湿度的变化运动。(图片来源:doi:10.1126 / science.1140097)

我们现在吃的禾本科的水稻(Oryza sativa)和燕麦(Avena sativa)则是另外一个故事了。在驯化的过程中,大米和燕麦除了不会落粒,还失去了能跑路的呆毛。

被人类驯化后掉了“毛”的燕麦。(图片来源:wikimedia)

不过也是由于不再拥有呆毛,大米和燕麦没有办法自己打洞钻入土中,需要人工播种。所以现在的它们完全依赖人类才能生存,放归野外就活不成。

这么看来,野的比较独立,乖的比较黏人,放在植物上也是适用的啊。

如果你比较胖而且不喜欢运动,那可能是有人不想让你滚。

参考资料:

https://docs.qq.com/doc/DVGtBSlhsSUhrUXZl

本文来自微信公众号:把科学带回家 (ID:steamforkids),作者:七君

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关键词:科普常识小麦

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