[科普中國]-海帶竟然不算植物！這得從演化開始說｜劉夙

“門綱目科屬種”，當(dāng)初在生物課上背得滾瓜爛熟的分類系統(tǒng)如今依然是分類學(xué)領(lǐng)域的重要框架。近幾十年來的最新分子研究能否為分類學(xué)帶來更多的可能性？分類學(xué)上如何梳理例如雜交品種這類復(fù)雜的關(guān)系？上海辰山植物園高級工程師，科普作家劉夙將和大家分享《為什么會光合作用的海帶不是植物？》。

劉夙演講視頻：

以下為劉夙演講實錄：

我是劉夙，在上海辰山植物園工作。我的本職是做科普，同時我也從事植物分類的研究。

在我的研究中，面臨的一個核心問題就是： 什么是植物？

可能大家會覺得，這還不好說嗎？能動的是動物，不能動的就是植物——大部分植物都不能夠以人明顯察覺的速率運動。

或許你還知道另一條標(biāo)準(zhǔn)：很多植物能夠進行光合作用。植物能利用光能把水和二氧化碳化合成糖類和氧氣，也因此成為地球生物圈里非常重要的組成部分。

但并不是所有不會動的生物都能夠進行光合作用，比如蘑菇和木耳就不行。

這種二分法把地球上的所有的生物分成動物和植物，看上去有點簡單粗暴，但很實用。心理學(xué)家甚至發(fā)現(xiàn)，幾乎世界上所有的族群都會這樣劃分，可能是人類的一種先天心理。

西方人也不例外。比如，18世紀(jì)著名的瑞典博物學(xué)家、有“現(xiàn)代植物學(xué)之父”之稱的林奈——說到生物分類人們總會提起他。圖右是戴著假發(fā)的林奈，他在年輕的時候就已經(jīng)出過一個小冊子，將生物劃分為動物和植物。圖左展示的是人們?nèi)粘Ｄ軌蚪佑|到的生物。

林奈的二分法在西方流傳了很久，但它就是合理的嗎？

并不是，因為它是一種 非?！叭斯ぁ钡姆诸? 。

我們現(xiàn)在有一種觀念，覺得人工的東西不好。比如，人工添加劑就不好。

科學(xué)方面，我們也有類似的意識，要追求一種自然而非人為的分類。什么叫自然的分類呢？19世紀(jì)達(dá)爾文提出基于自然選擇的演化論之后，這個問題算是有了一個明確的回答：一定要把某種生物祖先的所有后代都包括在內(nèi)。也就是說， 必須要確切地梳理生物演化的情況 。

達(dá)爾文有一個重要觀點，即 所有的生物都有一個共同的祖先 ，用上圖最底部的白點表示。然后，這個共同祖先不斷地繁衍后代，并且一邊繁衍一邊分化（最基礎(chǔ)的分化方式就是二叉分開），盡管可能有一些支系在歷史的長河中滅絕了，但是也有很多幸存下來，如圖中虛線上方的部分。

在不斷分化的過程中，生物的特征也會發(fā)生變化。圖中的白色、黃色和紅色圓點就代表按照傳統(tǒng)劃分的結(jié)果——僅僅把所有開紅色花的植物歸在一起，或者把所有1米9的人歸在一起，顯然不對。

因此，有了系統(tǒng)樹（演化樹）的概念，科學(xué)界才能定義“自然”的生物類群——就是 由同一個共同祖先演化出的所有后代的總和 。如此，我們才能夠真正揭示出現(xiàn)在地球上這些千姿百態(tài)的生物實際的演化關(guān)系。

追求自然的分類，說起來輕巧，實際做起來也沒那么容易。直到最近幾十年，我們掌握了分子生物學(xué)的方法（測DNA、RNA序列，然后進行對比），才終于能夠比較準(zhǔn)確地復(fù)原真實的演化關(guān)系。之后，很多傳統(tǒng)的分類都被推翻了。

我從去年開始，參與了江西農(nóng)業(yè)大學(xué)李波老師主持的一項植物分類研究，在今年發(fā)表了有花植物的一個新科——美麗桐科，以分子研究為主要證據(jù)。傳統(tǒng)上，它和泡桐都?xì)w到一個很大的玄參科，后來有些比較新的分類系統(tǒng)把這兩個屬（泡桐屬和美麗桐屬）獨立出去成為泡桐科。我們通過DNA序列比對，掌握了比較全面的證據(jù)，表明美麗桐屬不能和泡桐屬放在一起，必須成立它自己的科。

這些都屬于美麗桐科，生長在我國西南部、南亞和東南亞。我們測序比對后發(fā)現(xiàn)，它的演化關(guān)系如下——

從圖中可以看出，玄參科很早就分出來了。這一堆植物最后分成兩大支，美麗桐和泡桐都屬于LMPO支。但是，美麗桐屬和泡桐屬的位置并不近，因此我們主張 把美麗桐屬獨立成科 。這是中國人發(fā)表的被子植物的第六個科，我也給植物研究做出了一點微小的貢獻(xiàn)。

接下來，利用同樣的方法，可以進一步去梳理整個生物演化過程。植物真的可以用“不能動”和“光合作用”兩個簡單的人為特征概括嗎？事實告訴你：絕對不是這樣，演化過程遠(yuǎn)比想象中更為復(fù)雜和有趣。

根據(jù)我所總結(jié)的一直到去年年底為止的文獻(xiàn)資料，地球的生物從最早的共同祖先開始，首先演化分化出了細(xì)菌域和古菌域。在細(xì)菌域里面，值得一提的是藍(lán)藻：它能夠進行光合作用，但實際上跟細(xì)菌更為接近，所以也被稱為藍(lán)細(xì)菌。

后來，古菌域里涌現(xiàn)出了具有真正細(xì)胞核的真核生物。不過，它到底是怎么出現(xiàn)的，到現(xiàn)在還有爭議。但不論怎樣，真核生物自出現(xiàn)就經(jīng)歷了一個相當(dāng)復(fù)雜的演化。根據(jù)我們今天建立的演化樹，真核生物早期分化出的類群，你可能聽名字都覺得陌生——之前好多都沒有中文名，是我今年才擬定的。

后來又有一支，先后分出來變溝蟲、變形蟲、早別蟲和無足蟲，接著又演化出兩類非常重要的生物， 泛真菌和泛動物 。顧名思義，泛真菌就是以真菌為主的一個類群（如木耳、蘑菇），泛動物就是以動物為主的類群（如人類）。所以，其實是一個非常顛覆性的發(fā)現(xiàn)。

以前人們老覺得蘑菇、木耳不能動，應(yīng)該是植物；但是現(xiàn)在看分子結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其實它跟動物更接近。但是也挺好理解，吃蘑菇和木耳的時候，你覺得是更像肉還是菜？用這樣的一個辦法可以記住它。

真核生物在很早的時候，還分化出一支非常重要的類群， 多貌生物 。略去一些比較小的家系，多貌生物主要分成兩支。其中的一支的祖先（當(dāng)時還是異養(yǎng)的單細(xì)胞生物），在大約16億年前發(fā)生了一個非常重要的事件：它吞了一個能進行光合作用的藍(lán)菌，但并沒有把它消化掉，而是在體內(nèi)養(yǎng)了起來。然后它們就形成了一個互惠共生的關(guān)系——藍(lán)菌通過光合作用制造養(yǎng)分供給真核細(xì)胞，真核細(xì)胞為藍(lán)菌提供安全的生活環(huán)境。如此，演化出了紅藻、灰藻、綠色植物、隱藻等類群。

久而久之， 吞下去的藍(lán)菌變成了葉綠體，整個共生體變成了植物 。這也是今天國際上比較主流的植物定義。

那么，其他那些可以進行光合作用的生物又是怎么來的呢？

大家有沒有想過，既然植物的祖先可以吞掉藍(lán)藻而不消化它，那同樣的事情可以反復(fù)發(fā)生。即便是某一支丟掉了葉綠體，它也可以再吞一個紅藻細(xì)胞形成第二次內(nèi)共生，就又恢復(fù)了光合作用的能力。

不僅如此，多貌生物的另外一支有一類 茸囊生物 ，根據(jù)我們今天的研究發(fā)現(xiàn)，它是通過吞下隱藻，連環(huán)相吞（已經(jīng)是第三次了）獲得了葉綠體。獲得了光合作用的能力后，茸囊生物就分化成了囊泡蟲和茸鞭生物兩大類。

先來看囊泡蟲。它雖然獲得了葉綠體，但是好像不太珍惜，所以后來它的有些支系把葉綠體丟掉了。比如，囊泡蟲首先分化出一支纖毛蟲，其中 最有名的代表生物就是草履蟲 。我們老說一個人的頭腦太簡單就像草履蟲一樣，但是你不知道，人家非常有反叛精神——我祖先有葉綠體，可以進行光合作用，我就不要了，我還過我自由的生活。

后來這一支又分出頂質(zhì)體類，演化出一些非常臭名昭著的寄生蟲，比如能夠在人、貓、狗之間感染的弓形蟲，以及熱帶著名傳染病瘧疾的病原體瘧原蟲。它們也是丟掉葉綠體的一類。

當(dāng)然也有繼續(xù)保留光合作用的生物，渦鞭毛蟲（甲藻），它們大多是海洋里的浮游生物，但是繁殖過多會形成赤潮，造成危害。

茸鞭生物也有類似的情況，有些支系（比如卵菌）把光合作用能力丟掉了，后來也變成寄生蟲了。比如讓金魚長白毛的水霉和讓馬鈴薯全部毀滅的疫霉。

接下來，又演化出來一支同樣丟掉光合作用能力的吸硅菌，它是一個可怕的殺手——能夠像吸管一樣把它的一部分細(xì)胞伸出來，插到硅藻的細(xì)胞里面，然后把硅藻細(xì)胞的內(nèi)容物全部吸到自己體內(nèi)消化。

當(dāng)然，也有繼續(xù)保留光合作用能力的，演化出一大群黃色藻類，包括硅藻、金藻、黃藻、褐藻等。我們說的海帶，其實是屬于褐藻的一種。

所以，現(xiàn)在你可能會明白為什么海帶不是植物了。盡管它不能動，也能進行光合作用，但是我們通過分子的方法發(fā)現(xiàn) 它的祖先很早就跟植物分開了 ——這就是利用分子方法構(gòu)建的演化樹所為我們揭示的最新生物演化的圖景。

或許你會問：搞這么復(fù)雜，有什么用嗎？如果你想知道一個特別實際的用處，我還真能找出來一些。

我們都知道，瘧疾是一種非常厲害的熱帶傳染病，屠呦呦先生就是因為找到了治療瘧疾的青蒿素獲得了2015年的諾貝爾生理學(xué)或者醫(yī)學(xué)獎。但是目前，瘧原蟲又開始對青蒿素類藥物產(chǎn)生抗藥性，這就要求我們必須再去尋找新的藥物。

剛才我們說過的瘧原蟲，它是一種丟掉了光合作用能力的囊泡蟲。其實它體內(nèi)的葉綠體還在，只不過沒有葉綠素了，取而代之的是一種叫做頂質(zhì)體的結(jié)構(gòu)，在它的生理過程中發(fā)揮著重要作用。

有人就根據(jù)演化關(guān)系指出，是否可以針對瘧原蟲殘余的葉綠體（也就是頂質(zhì)體），以此為靶點開發(fā)出新型抗菌藥物呢？很顯然，這是一個非常有潛力的方向。所以，分類學(xué)的研究成果還真能為醫(yī)藥等生產(chǎn)生活提供實際的指導(dǎo)方向。

但我想說的是，我們做生物分類，更主要不是為了追求非常實際的用途，而是希望 了解生物演化本身 ——希望能夠揭示自然的奧妙，知道生物是怎么來的，從而知道人類在世界中的位置。

有一位非常有名的演化生物學(xué)家多布然斯基就說了一句非常好的話：“若無演化之光，則生物學(xué)的一切都無意義”。我們正是因為有了演化論，有了在其基礎(chǔ)上構(gòu)建的一系列方法，才能夠把生物的演化探究得如此詳盡。

我覺得這些知識本身就是美好的，所以我愿意把它分享給大家。謝謝大家！

(演講嘉賓劉夙：《為什么會光合作用的海帶不是植物？》)

作者：劉夙編輯：麥芽楊、凝音