植物长刺的秘密

苏涛 张馨文

提到长刺的植物，很多人会想到玫瑰。其实在自然界里还有许多植物长着刺，例如刺参、刺梨、刺天茄、刺槐等，它们广泛分布在豆科、蔷薇科、仙人掌科、大戟科等众多类群中。那植物为什么要长刺呢？刺又是如何进化而来的呢？

 仙人掌的刺  （叶刺、細圆锥状刺）

形态各异的刺

植物的刺形态各异，除了常见的细圆锥状的刺，还有扁形（如扁刺蔷薇）、带分叉（如皂角），以及弯钩状（如飞龙掌血、见血飞）的刺等。

刺是植物的一类特化器官，来自叶片、茎干或者表皮。依据发育部位的不同，刺又分为枝刺、皮刺和叶刺。枝刺是茎变态形成的刺，皮刺是由茎表面形成的一种尖锐突起物，而叶刺则是由叶或托叶转变成的刺状突起（着生在叶柄与茎的连接处）。

 皂角的刺  （带分叉的刺、枝刺）  （供图/苏涛）

植物防御的“利器”

那么，为什么植物会长刺呢？刺的主要功能是防御大型草食动物取食。因此，非洲稀树草原的许多乔木和灌木长满了尖刺。这些植物的刺往往比叶片要长得多，从而保护自己免受长颈鹿、斑马等动物的取食。

有意思的是，生长在青藏高原的壳斗科高山栎属植物，如果没有外界干扰会长成高大的乔木，具有全缘叶（没有凸凹的光滑的叶缘）。而当它被砍伐之后，新萌发枝条的叶片边缘就会长出不少尖刺用于防御。但是，目前对于高山栎叶片长刺的分子调控机制还不清楚。

 扁刺蔷薇的刺  （扁形的刺、皮刺）  （供图/张馨文）

此外，最近也有研究指出，植物长刺还能够有效降低自身的水分蒸发，以更好地适应干旱的环境。因此，干旱地区带刺植物的物种比例，往往比湿润地区要高得多。

一窥刺的演化史

植物的刺是经历了漫长地质时期的演化而逐渐形成的，我们可以通过古生物化石来一窥刺的演化史。青藏高原上曾经生长着大量的带刺植物，而现在的青藏高原中部平均海拔超过4600米，是一片广袤的高寒草原，只有极少数植物能够在这样极端的环境中生存。

2017年，第二次青藏高原综合科学考察研究正式启动，中国古生物科考队在青藏高原中部的伦坡拉盆地，发现了距今约3900万年的大量植物刺化石。通过对刺的形态进行观察和比较，研究人员发现这些刺包含皮刺和枝刺，共划分为7种形态类型。

 产自青藏高原距今约3900万年的植物刺化石（供图/张馨文）

为什么带刺植物曾在青藏高原大量出现呢？通过整合化石记录、模型模拟和分子系统生物学等证据，我们得出了合理的推测：青藏高原曾经存在一个东西向的中央谷地，在谷地里生长着茂密的森林。随后，由于地势的抬升和气候变干开始出现了开阔的林地，树木的种类逐渐减少，草本植物随之繁盛，这给大型食草哺乳动物提供了更多的食物来源。与此同时，植物面临着更大的被取食压力，刺作为有效的结构防御手段而在大量植物中出现，这一过程被化石真实地记录了下来。

类似的带刺植物与哺乳动物协同演化进程也曾发生在非洲，并形成了别具特色的稀树草原（也称萨王纳），只是这一过程比青藏高原带刺植物的快速分化晚了约2000万年。

长刺植物有妙用

相信不少人都被植物的刺扎过，所以见到带刺植物就会避而远之。然而，长刺植物并非一无是处。

有些长刺的植物在园林绿化中有很好的景观效果，例如，在中国南方热带及亚热带地区比较常见的园林绿化树种美丽异木棉，它粗壮的树干上长满了皮刺，与春天时盛开的满树繁花相得益彰。此外，带刺植物也常被栽种于院落周边当作篱笆，像马甲子、金刚纂（zuǎn）、木香花等。在中国南方的部分地区，一些芸香科柑橘属的植物因枝条密布长刺，常被用于挂晒制作萝卜干的理想工具。

刺在植物界广泛存在，是植物在千百万年地质时光里的趋同进化，是植物生存智慧的一个缩影。动物和植物在取食与防御中彼此不断进化，一直开展着生物界激烈的“军备竞赛”。当你下次再看到刺的时候，不妨走近仔细观察，领略这一结构的巧妙和精美！

（责任编辑 / 张丽静  美术编辑 / 周游）