植物從哪里來
根據(jù)細胞結(jié)構(gòu)的不同，所有細胞生物首先分成三個“域”—原
核域、古核域和真核域。藍藻就屬于原核域，和細菌是近親。真核生
物再分成兩大支，其中一支的主干家族是動物和真菌。也就是說，原
本認為屬于植物的蘑菇、木耳，其實反而和動物是近親。另一支則包
含了其他各種藻類，其中的“古質(zhì)體類”由灰胞藻、紅藻和綠色植物
組成。今天分類學上所說的“植物”，通常只指綠色植物，僅包括主
要為水生的綠藻和輪藻，以及主要為陸生的苔蘚植物、石松植物、蕨
類植物、裸子植物和被子植物。
撰文 / 劉夙
002
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植物
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003
有孔蟲界
不等鞭毛類
囊泡蟲類
植物
綠藻苔蘚植物
蕨類植物
被子植物
裸子植物
石松植物
輪藻
毫無疑問，綠色植物的祖先
來自大海。據(jù)推算，綠藻在大約
15 億年前的元古宙就起源了。
它在海洋中欣欣向榮了幾億年之
后，一面見證了寒武紀海洋的“生
命大爆發(fā)”，一面和真菌一起結(jié)
合成地衣征服陸地。到 4 億多年
前的奧陶紀，綠藻已經(jīng)演化成更
復雜的陸生植物，廣袤的大地終
于披上了綠裝。
最新的細胞生命關(guān)系樹（繪圖 / 王鶯）
004
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古核生物 原核生物
變形蟲界
菌物
細菌 藍藻
真核生物
雙鞭毛生物
單鞭毛生物
動物
古蟲界
隱藻
紅藻
灰胞藻
定鞭藻
005
禾本家族的自述
撰文 / 劉冰
006
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植物
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禾本科是世界上第四大科，是分布極廣的植物家族，也是經(jīng)濟價值極大、
和人類關(guān)系極密切的植物家族。這樣一個家族有怎樣的起源和遷徙歷史呢？
讓我們來聽聽禾本科代表植物草地早熟禾的介紹吧！
007
狗尾草
是禾本家族
的一員
遍布全球的禾本家族
我是草地早熟禾，在中國北方
的草坪中你很容易找到我的身影。
植物分類學家把我歸屬于禾本科，
在英文中，“科”（family）其實就
是家族的意思。感謝分類學家把我
作為禾本科的代表，下面就由我來
講述我們禾本家族的遷徙故事吧！
禾本科大概是 9000 萬年前出現(xiàn)
在地球上的，那時正是地質(zhì)學上的白
堊紀。一說到白堊紀，也許你馬上會
想到恐龍。沒錯，我們的祖先還真和
恐龍有過親密接觸。2005 年《科學》
雜志報道，在印度發(fā)現(xiàn)的恐龍糞便化 草地早熟禾（攝影 / 劉夙）
008
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石中發(fā)現(xiàn)了很可能屬于禾本科植物的
顯微結(jié)構(gòu)—植硅體。植硅體是植物
細胞內(nèi)外由二氧化硅構(gòu)成的小顆粒。
這個發(fā)現(xiàn)說明，那時候有一部分食草
恐龍正是以我們的祖先為食的。當然，
我們也不會輕易讓它們吃得開心，堅
硬的植硅體對食草動物的牙齒來說，
是個不小的麻煩！
要說禾本科具體起源的地點，
科學家還有爭論，有說是非洲，有
說是南美洲。但不管是非洲、南美
洲還是印度，都是從一塊位于南半
球的叫作岡瓦那的巨大古陸分裂出
來的。所以我們禾本家族最早的時
候是地地道道的南方“人”，從來
都沒見過北斗七星呢。
今天禾本家族已經(jīng)遍布世界各
地，幾乎征服了各種生境。不要說
北極圈和極高山地區(qū)了，連南極洲
都有我們一位兄弟—南極發(fā)草的
身影。然而在最開始的時候，我們
的祖先還只是熱帶森林里不起眼的
小草，家族也很不繁盛。如今，我
們還有三個人丁稀少的遠房分支繼
續(xù)生活在熱帶雨林里，堅守著遠祖
奮斗過的地盤。它們在形態(tài)結(jié)構(gòu)上
南極洲是個冰天雪地的世界，但也
有100多種綠色植物生長。不過，其中絕
大多數(shù)是苔蘚，種子植物只有2種——禾
本科的南極發(fā)草和石竹科的南極漆姑。
南極植物
009
佩服竹子大哥，它們決定留在森林
里發(fā)展，而且打拼得很成功。我們
禾本家族的一大特點，就是風媒傳
粉。為了不讓花被片影響花粉傳播，
花萼、花瓣什么的都退化了?？墒?/p>
在茂密的森林里，那么多喬木高高
早園竹（攝影 / 劉夙）
禾本家族關(guān)系網(wǎng)
到了大約 7000 萬年前的白堊
紀晚期，禾本家族里出現(xiàn)了兩個新
的分支，后來獲得了大發(fā)展。其中
一支就是包括我草地早熟禾在內(nèi)的
BOP 支。BOP 支很快就進一步分化
成竹亞科、稻亞科和早熟禾亞科三
個分支。
竹亞科
竹亞科的成員通稱竹子。我很
有點像竹子，卻是草本植物，所以
通常叫作“草本竹類”，簡稱“竺類”。
中國臺灣有一種囊稃竺，是竺類在
中國的唯一野生種。
禾本科植物關(guān)系網(wǎng)
010
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植物
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竹林
在上，林下的風很小，對竹子的傳
粉不利。為了應付這種局面，竹子
想了兩種對策：一部分竹子從風媒
傳粉變成了蟲媒傳粉，雖然它們?nèi)?/p>
然沒有艷麗的花朵，卻演化出了蜜
腺，可以靠蜜汁吸引昆蟲。更多的
竹子放棄了年年開花這種吃力不討
好的事情，一生中大部分時間里都
在進行營養(yǎng)繁殖。每隔若干年，這
些竹子商定好同時開花，于是—
嘩—原本青竿綠葉的竹子突然長
出了好多像稻穗一樣的花朵！很多
竹子一生只開一次花、結(jié)一次實，
開花之后就會死去，為的是給下一
代騰出生長空間來。
稻亞科
說過竹子，再來說說水稻它們家
族。稻亞科是禾本科之中較小的家族，
它的主要成員有重要的糧食作物—
水稻，還有可作蔬菜吃的菰，它的莖
稈被真菌寄生后會變膨大，成為日常
食用的“茭白”。這一家族的多數(shù)成
員也喜歡水生或濕生環(huán)境，它們在水
邊和水里發(fā)展，給禾本家族開辟了一
塊新天地。
早熟禾亞科
在 BOP 這一支里，無論是竹亞
水稻田 科還是稻亞科，都沒有我們早熟禾
011
蒲葦是潘帕斯草原上的標志性植物（攝影 / 耿牧帆）
歐亞草原是馬兒的故鄉(xiāng)
亞科來得人丁興旺。從四五千萬年
前開始，我們這個亞科就開始向寒
冷地區(qū)擴張。在大約 3000 萬年前的
漸新世，我們更是如魚得水，占據(jù)
了溫帶地區(qū)的許多地盤。從這個時
代開始，地球氣候發(fā)生劇烈變化，
平均氣溫不斷下降，白堊紀以來的
那種溫暖潮濕的氣候變得寒冷干旱，
這在大陸的腹地表現(xiàn)得更為明顯。
久而久之，需要足夠水分才能存活 的喬木們紛紛受不了離開了，只有
耐寒耐旱的草本植物和少量灌木堅
持了下來。原本的森林，就這樣逐
漸退卻，被新生的廣闊溫帶草原所
取代。
溫帶草原是地球上最壯美的景
觀之一。雖然這里的冬季一片凋敝，
但是在植物的生長季節(jié)，在由我們禾
本家族們搭建的綠色背景之上，許許
多多的雜類草競相開出五顏六色的花
朵，那景色實在令人沉醉。地球上面
積最大、最著名的溫帶草原是橫貫歐
亞大陸中部的歐亞草原，也叫“斯太
普”草原。歐亞草原不僅是馬的故鄉(xiāng)，
也是許許多多游牧民族的故鄉(xiāng)。南美
洲南部的溫帶草原就是著名的潘帕斯
草原了。在 15~17 世紀的“大航海
時代”，許多西班牙人來到這里，和
當?shù)厝嘶煅?，形成了英勇彪悍的高?/p>
人，經(jīng)營著規(guī)模龐大的畜牧業(yè)，直到
今天。
012
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植物
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無論是歐亞草原還是
潘帕斯草原，我們早熟禾
亞科的針茅都是當之無愧
的禾草領(lǐng)袖，數(shù)目最多，
地位也最重要。針茅的果
實非常狹長，下端銳利如
針，上端帶著一根長長的
芒，仿佛是針上穿的線。
當針茅的果實成熟之后，
就會掉到地面上。白天空
氣干燥的時候，芒會舒展
開來；晚上空氣濕潤的時
候，芒會吸水扭曲成螺旋
狀，像一把螺絲刀一樣把
果實往土壤里扎。就這樣，
許多個晝夜過去，針茅的
果實也就一點一點鉆進了
土壤，剩下的事情就是等
待寒冬過去，好在春天萌發(fā)。
早熟禾亞科的植物為了對抗寒冷，
演化出一套獨特的機制，比如會在細胞中
積聚果聚糖，可以降低細胞溶液的冰點，
保護細胞在低溫下免受凍害。南極發(fā)草則
把莖葉緊緊堆攏在一起，形成密密的一
團，看上去像是地上的草墊，這樣在刮寒
風的時候可以有效降低熱量的散失。無獨
有偶，安第斯高山上的臥針草也屬于這種
“墊狀植物”。
對抗寒冷有辦法
PACCMAD 支
和 BOP 支一起出現(xiàn)的另一支，
名字有點長—叫 PACCMAD 支。
它是由七個亞科組成的，其中最大
的一個叫黍亞科。這一支的兄弟和
我們一樣，在地球氣候發(fā)生大變化
的時候走出森林，但和我們不一樣
的是，它們主要在熱帶地區(qū)發(fā)展，
成為構(gòu)建薩瓦那草原（也叫熱帶稀
樹草原）的主力。最有名的熱帶草
大針茅（攝影 / 劉夙）
013
原自然是縱貫非洲的非洲大草原了，
它是許多大型哺乳動物的老家，也
是人類的老家。人類在歷史上曾經(jīng)
三次大規(guī)模走出非洲，每一次都是
從東非大草原出發(fā)的。北美洲的普
萊利草原雖然是溫帶草原，但可惜
不是我們早熟禾亞科的地盤，而是
這些熱帶親戚的地盤。不過來自普
萊利草原的野牛草和我關(guān)系挺鐵，
因為我們都是著名的草坪草嘛。
我最嘆服這些熱帶親戚的一點
是，它們演化出了一種新的光合作
用機制—C4 機制。比起我們這些
“C3 植物”來，它們在炎熱干旱的
條件下照樣可以茁壯成長，而且對
二氧化碳的利用效率比我們更高。
這真是“一方水土養(yǎng)一方人”啊！
C3植物在進行光合作用時，二氧化
碳先是被轉(zhuǎn)化為一種含3個碳原子的物
質(zhì)。C4植物在進行光合作用時，二氧化
碳則是先被轉(zhuǎn)化為一種含4個碳原子的物
質(zhì)。因此，它們固定碳的機理大為不同，
連葉片的解剖結(jié)構(gòu)都不同。
C3植物和C4植物
非洲稀樹草原
水稻是典型的C3植物（攝影 / 劉夙）
014
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植物糧食家族
我們禾本家族是最受動物歡迎
的植物家族，沒有之一。除了在身
體里的植硅體考驗食草動物的牙齒
之外，我們幾乎不合成什么有毒化
學物質(zhì)。所以，有很多食草動物都
以我們的莖葉為食，還有很多的動
物喜歡吃我們富含淀粉的種子—
人類也不例外。
禾本科為人類貢獻了最多的糧
食作物，光是數(shù)一數(shù)最常見的那些
就能數(shù)出十來種—水稻、小麥、
大麥、裸麥（青稞）、黑麥、燕麥、
莜麥、玉米、高粱、黍（黃米）、粟（小 玉蜀黍（攝影 / 劉夙）
生活中隨處
可見的狗尾草，
是粟的野生祖先
015
我們今天
吃的許多食物
都是來源于
禾本科
米）、珍珠粟、湖南稗子、穇、薏苡……
其中，我們早熟禾亞科以及黍亞科
出的谷物最多，上面那些帶“麥”
字的谷物就都屬于早熟禾亞科。
禾本科能出這么多的谷物，不
只是因為它們毒性低，還因為它們
的籽粒大，便于采集和加工。這些
籽粒大的禾草往往都是一年生植物，
它們的地理分布也有一定規(guī)律，通
常都產(chǎn)自一年里有一段時間不適合
植物生長、氣候指標年際變化大的
季風地區(qū)，比如地中海地區(qū)、中國
東部、印度、墨西哥、非洲大草原
北緣等。這些地方也因此成了農(nóng)業(yè)
起源的中心地區(qū)。
在糧食作物的馴化和育種過程
中，人類不斷把有利的性狀篩選出
來。比如野生谷物容易落粒，不便
采集，但是一旦出現(xiàn)了籽粒成熟后
不落，而是留在禾穗里的突變，人
類就會大量種植它，后來所有的谷
物便都不再落粒了。
016
博士帶你玩
植物
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2002年，水稻成為第一個測完
全基因組序列的糧食作物；2009年，
玉米的全基因組測序完成；2014年，
小麥基因組的序列草圖也搞定了。
世界三大糧食作物的基因
組測序進展
今天，生命科學已經(jīng)進入分子生物
學時代，生物學家們不滿足于過去較為盲
目的育種，開始破譯谷物的遺傳密碼，希
望能夠有的放矢地改善谷物的性狀。“中
國雜交水稻之父”袁隆平就設(shè)想，把熱帶
禾本科植物體內(nèi)的 C4 基因轉(zhuǎn)到水稻這種
C3 谷物體內(nèi)，讓水稻產(chǎn)量進一步提高。
水稻田
017
