高等植物才有！為啥植硅體能揭開(kāi)水稻栽培史？

撰文丨史軍

臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院教授于祿鵬團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、浙江省文物考古研究所等13個(gè)單位的研究人員在國(guó)際期刊《科學(xué)》上發(fā)文，揭示10萬(wàn)年間水稻從野生到馴化的演化史。而打開(kāi)這個(gè)神秘黑箱的鑰匙，居然是肉眼不可見(jiàn)的植硅體。

什么是植硅體？植硅體是出現(xiàn)在多種高等植物的細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間隙之間的一些顯微結(jié)構(gòu)，它的主要的成分是二氧化硅，跟我們平常見(jiàn)到的沙子的主要成分是一樣的。只不過(guò)說(shuō)，這些二氧化硅是填充在了細(xì)胞的間隙以及一些細(xì)胞的內(nèi)部，形成了特殊一些結(jié)構(gòu)。

注意，并不是所有植物都有植硅體。只有是高等植物，也就是說(shuō)，具有維管束的植物才有植硅體，包括蕨類植物，裸子植物和被子植物，而苔蘚植物和綠藻體內(nèi)就沒(méi)有植硅體。

植物為什么要進(jìn)化出植硅體呢？

對(duì)植物來(lái)說(shuō)，植硅體主要有兩個(gè)方面的用途，一是提升植物的機(jī)械強(qiáng)度，讓身板硬起來(lái)；二是防御動(dòng)物啃食，把盔甲穿起來(lái)。

植硅體的第一個(gè)作用就是讓植物硬起來(lái)，可以發(fā)揮支撐植物體的的作用。填充在組織中的植硅體呢可以為植物組織提供了強(qiáng)度，面對(duì)風(fēng)吹雨打的時(shí)候，也能傲然屹立。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，植硅體，就如同蓋高樓大廈的時(shí)候填充在鋼筋框架之間的混凝土。

植硅體的一個(gè)另外一個(gè)作用就是防御動(dòng)物啃食。試想一下，在一盤蔬菜沙拉里面摻進(jìn)大量的沙子和玻璃，食客就得掂量一下自己的牙口了。即便，有些食草動(dòng)物去硬吃，也會(huì)相當(dāng)費(fèi)牙，對(duì)動(dòng)物的生存是不利的。

除了上述兩個(gè)主要用途，植硅體在植物的體內(nèi)還承擔(dān)了抵御外界的微生物侵襲的一部分的作用；同時(shí)植硅體還可以吸收和富集一些特定的金屬元素，比如說(shuō)鋁元素，來(lái)避免這些元素對(duì)植物產(chǎn)生。

不得不說(shuō)，植硅體真是一個(gè)多面手。

植硅體最早出現(xiàn)在泥盆紀(jì)晚期，這個(gè)時(shí)期，地球陸地上第一次出現(xiàn)了郁郁蔥蔥的森林。植硅體為早期石松類植物提供了必要的支撐和對(duì)抗植物的武器裝備。在之后的植物演化過(guò)程中，蕨類植物，裸子植物和被子植物繼承了產(chǎn)生植硅體這項(xiàng)技能。

雖然植硅體是植物用來(lái)對(duì)付動(dòng)物的武器，但對(duì)我們?nèi)祟悂?lái)說(shuō)，植硅體有著很多特殊用途。首先，植硅體是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的小幫手。水稻和小麥的莖桿和葉片上的植硅體，可以幫助它們有效抵御食草昆蟲(chóng)的侵害。那這件事兒來(lái)說(shuō)，我們與小小植硅體竟有著特殊的合作關(guān)系。當(dāng)然了，我們今天還可以利用植硅體進(jìn)行很多的古植物學(xué)，古生態(tài)學(xué)，以及考古學(xué)研究。

在研究古植物的時(shí)候，考古學(xué)家和古生物學(xué)家當(dāng)然希望在地層中找到植物的花和果實(shí)的遺存。但是，花和果實(shí)形成化石的條件太苛刻了，即便是葉片形成化石也不容易。所以，到今天，很多科學(xué)家已經(jīng)將目光聚焦在了花粉和植硅體等的植物微化石身上。

在分析了熱河鳥(niǎo)胃部化石中的植硅體以后，科研人員發(fā)現(xiàn)里面有含有一些木蘭科植物的植硅體，也就是說(shuō)，熱河鳥(niǎo)兒居然是吃木蘭科植物的葉子，它們的進(jìn)食方式類似于今天的麝雉。

科學(xué)家還在一種叫馬鬃龍的恐龍的牙垢里面發(fā)現(xiàn)了一些植硅體，那是符合禾本科植物的植硅體特征。這個(gè)研究豐富了我們對(duì)恐龍食性的認(rèn)知。之前，我們都認(rèn)為恐龍是吃裸子植物和蕨類植物。但馬鬃龍的主要食物居然是禾本科植物，也就是說(shuō)在恐龍時(shí)代，禾本科植物已經(jīng)成為一個(gè)比較常見(jiàn)的草原植物，并且還是很多恐龍的主食。

在人類遺址當(dāng)中，如何判斷一個(gè)水稻遺存是栽培水稻，是野生水稻呢？如果單從水稻籽粒的大小來(lái)判斷，并不能得出讓人信服的證據(jù)。因?yàn)樗咀蚜５拇笮‰S機(jī)性非常高，況且，水稻籽粒完整保留下來(lái)的可能性本身就不高。

除了籽粒大小，還有一個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)，那就是水稻小穗兒結(jié)構(gòu)，上面有沒(méi)有斷裂散播的結(jié)構(gòu)。如果這個(gè)斷裂結(jié)構(gòu)消失，就說(shuō)明這些稻谷在成熟的時(shí)候，依然會(huì)留存在谷穗智商。從這個(gè)角度來(lái)講，我們也可以做出判斷——這個(gè)水稻已經(jīng)被人為的選擇和馴化了。但是水稻的小穗兒結(jié)構(gòu)，想完整的保存下來(lái)也很難。那怎么辦？我們還要從植硅體上尋找答案。

在水稻的身上，存在于三種不同類型的植硅體。它們分別是，莖和葉子上都有的啞鈴形植硅體；分布在水稻的穎殼上的雙峰乳突型植硅體；以及分布在葉片上的扇形植硅體。

其中，栽培水稻和野生水稻的啞鈴形植硅體幾乎沒(méi)有差別，不堪用；雙峰乳突型植硅體在栽培稻和野生稻之間倒是是有非常大的差異的，但是，想發(fā)現(xiàn)保存好的穎殼，相當(dāng)困難，也不堪用。

突破口出現(xiàn)在扇形植硅體上，它們的邊緣有很多魚(yú)鱗狀紋飾，這就是判別野生稻和栽培稻的一個(gè)非常典型的特征。通常來(lái)說(shuō)，野生稻的魚(yú)鱗紋飾數(shù)量是少于9，而栽培稻的魚(yú)鱗紋飾數(shù)量通常是8~14。雖然兩者數(shù)量有重疊，但栽培稻的還是要更多一些。這個(gè)特征就成為判別水稻是否被馴化的關(guān)鍵特征了。

除了判讀水稻是否被馴化，水稻植硅體還能幫助我們重建水稻的馴化過(guò)程時(shí)間線。在傳統(tǒng)研究中，如何確定人類遺址中水稻遺存的確切年齡，是擺在研究人員面前的大問(wèn)題。因?yàn)樵诼L(zhǎng)地質(zhì)年代中，地層運(yùn)動(dòng)會(huì)讓植物體埋藏位置發(fā)生變化，從而影響科研人員的判斷。這個(gè)時(shí)候，植硅體作用就出現(xiàn)了。

植硅體中的二氧化硅能夠在吸收周圍的環(huán)境輻射能量，并將其儲(chǔ)存起來(lái)，在特定輻射激發(fā)之后，這些儲(chǔ)存的能量以光的形式將能量釋放出來(lái)，這種現(xiàn)象叫做光釋光現(xiàn)象。釋放出光的強(qiáng)度，與之前儲(chǔ)存的能量總量有關(guān)。科研人員通過(guò)分析埋藏地點(diǎn)周邊的環(huán)境能夠給予植硅體的的輻射條件，可以得出一個(gè)植硅體每年儲(chǔ)存的能量年劑量。將植硅體的總的能量除以年劑量，就可以得出相應(yīng)的埋藏時(shí)間了。

在本次研究中，考古遺址中的石英具有良好的發(fā)光表現(xiàn)，在吸收同等輻射劑量情況下能發(fā)出更多光信號(hào)，這意味著研究人員可以對(duì)單個(gè)顆?；蛏贁?shù)幾個(gè)顆粒的石英進(jìn)行精確的年代測(cè)試。利用單顆粒技術(shù)，研究人員成功區(qū)分出混雜在一起的不同年代的石英顆粒，有效解決了地層擾動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題，準(zhǔn)確測(cè)定了關(guān)鍵層位的年代，從而測(cè)出水稻的真實(shí)“年齡”。

利用10萬(wàn)年來(lái)不同水稻植硅體建立一個(gè)演化序列，就可以幫助我們更好地理解水稻馴化的過(guò)程了。

小小的植硅體身上，藏著大大的演化故事，這是我們之前都想不到的事情。在未來(lái)，隨著對(duì)植硅體的研究的深入，一定會(huì)帶給我們更多新的驚喜。