作为植物的苹果：物种演化的故事

　　文/张九庆(中国科学技术发展战略研究院)

　　一、苹果是一种生物：生存与分类

　　当我们把苹果是当做一种生物的时候，是指它具有与非生命不同的特征。不管是我们自己、猛兽宠物、鱼鸟昆虫，还是花草、苔藓、霉菌，这些生物有着共同的六大特征：它们都具有细胞，细胞是构成生物结构和功能的最小的单位。细菌由一个细胞构成，人则有数兆个细胞构成;细胞都由化合物组成，包括水、碳水化合物、蛋白质、脂类和核酸。核酸被认为是生物的遗传物质;细胞通过消耗能量来进行并维持生命活动，动物无论是在运动还是在静止状态，植物无论在白天还是在黑夜，细胞都在努力工作;生物通过生长发育的过程使自己长大，使自己的组织结构变得复杂，功能变得强大;生物将对来自外在因素如温度、光照、声音等刺激作出反应，改变生长发育或者行为方式，比如有些植物会朝着阳光生长;生物能够生殖繁衍，通过种子让自己的生命一代又一代进行生死轮回。

　　维持生物的生存需要基本的条件，包括食物、水与空气、生存空间和稳定的状态等。食物提供给细胞以能量，有些生物能通过消耗自身合成的食物来储存能量维持生命活动，比如植物能通过光合作用合成有机物，这些生物叫自养生物;有些生物自身不能合成食物，这些生物叫异养生物。异养生物要么通过直接吞食自然生物来获取食物中的能量，比如吃草的牛羊;要么通过捕食其他异养生物来获得能量，比如狼吃羊。人是杂食的异养生物，可以食用五谷果蔬等自养生物，也可以食用鸡鸭牛羊等异养生物。生物通过食用与被食用的关系建立起联系，形成食物链。比如我们常说的成语“螳螂捕蝉，黄雀在后”描写的就是一条食物链：树—蝉—螳螂—黄雀。水是生物生存的最要物质，自养生物合成有机物要有水的参与，异养生物分解食物、溶解和运输化合物要有水的参与。生物也在竞争中成长，需要一定的生存空间。自养生物往往占据的是固定的生存空间，例如植物通过根来获取地下的水和其他化合物，通过枝叶来获取地上的阳光雨露;异养生物通过四处活动来占据、分享和争夺生存空间，如动物通过迁徙找到远处的食物资源。

　　地球上的生物种类很多，分类的好处在于人们可以直接从中获取那种生物的相关信息。比如说到鸟，你就知道它有翅膀和羽毛;说到鱼，你就知道它在水中靠鳃呼吸。对生物分类做出最大贡献的当属瑞典科学家林奈。他把生物界分成了动物界和植物界，特别是设计了一套植物命名系统——双名法，类似于我们人的姓和名。每一种植物都必须用拉丁文的双名法来命名，且名称必须是独一无二的，例如苹果是苹果树结的果子，苹果树的植物学名称是“Malus pumila”，是西方栽培类苹果品种的名称，而“Malus sieversii”则是生长在我国新疆地区的野生苹果品种的名称。

　　随着显微技术的发展和对生物演化和细胞类型的深入研究，人们观察到的生物越来越多，现代生物学已经突破了林奈的动物界和植物界两界分类，普遍采用六界系统：古细菌界、真细菌界、原生生物界、真菌界、植物界和动物界。因为植物界和动物界生物繁多，人们又不得不把它们分为多个级别，从界往下依次是门、纲、目、科、属和种，级别越低，生物就越少，相似性就越高。对那些能结出在市面上出售的新鲜脆甜苹果而言，你可以这样来描述它：植物界被子植物门双子叶植物纲蔷薇目蔷薇科苹果属栽培苹果种。

　　二、苹果是一种植物：起源与光合作用

　　前面已经说过，植物是我们非常熟悉的生物，它们的共同特征包括：植物是多细胞的真核生物;植物是自养生物，能够自己合成食物。

　　细胞是英国科学家胡克命名的，他通过荷兰科学家列文虎克发明的显微镜观察到木头是由许多蜂窝状的小格子组成的，这样的小格子就是细胞。德国科学家施莱登通过大量观察动物植物后，进一步明确了一切动植物的有机体都是由细胞构成的，细胞是有生命的独立个体，众多的细胞组成一个整体生命。现在我们知道，植物细胞由细胞核、细胞质、叶绿体、液泡、细胞膜和细胞壁等几大部分构成。不同的植物细胞及其数量决定了植物种类和尺寸的千差万别。

　　植物的食物在叶绿体上合成，科学家通过追踪叶绿体上叶绿素的成分，把现代植物的始祖确定为绿藻，因为考古学家发现4亿年前存在类似于小型藻类的植物化石，现代植物和绿藻含有相同形状的叶绿素。藻类植物生活在水中或者潮湿地带，容易获得水分，也能随波逐流到阳光容易照到的地方，绿藻也容易在水中繁殖。经过不断的适应性进化，植物在世界各地生长繁衍，遍及庭院、丛林、草原、沙漠、湖泊、高山乃至极地。

　　说到植物的自养，也就是植物能进行光合作用。发现这一点，科学家经过了漫长的努力探索。早期的人们很自然地认为，陆地植物发育生长所需要的全部物质来自于土壤，这一观点在17世纪后开始动摇。1643年，比利时人海尔蒙德把一株柳苗种到一盆泥土中，只给柳苗浇水，5年下来柳苗仍然长高长大了，得到的结论是植物生长最需要的是水。1771年，英国人普利斯特里做了一个更重要的实验：一只燃烧的蜡烛在密闭封罐中，火焰会熄灭;而把一棵植物和一只蜡烛放入封罐中，蜡烛继续燃烧，其结论是植物把某种东西释放到了空气中。1779年，荷兰人英根豪斯把带叶的枝条放到水里，有光照的时候，这些叶子会产生气泡，无光照的时候这些叶子不能产生气泡，他认为植物需要阳光才能产生气体。接下来，空气的成分被科学家确定，人们发现了绿叶吸收的是二氧化碳，释放出的是氧气。1864年，德国人萨克斯发现植物在光合作用中合成了碳水化合物。1883年，美国人恩格尔曼发现了不同颜色的光对绿藻光合作用的影响，叶绿体被定位为绿色植物进行光合作用的场所。至此，光合作用的化学方程式已经为人们熟知：二氧化碳与水在光能作用下，生成糖和氧气。1941年，美国人鲁宾和卡门通过同位素标记法，确定了光合作用释放出的氧气来自于水而不是二氧化碳;1948年，美国人卡尔文及其同事通过追踪光合作用中碳元素的变化，探明了二氧化碳中的碳在光合作用下如何转化为碳水化合物中的碳，这一过程称为卡尔文循环。

　　苹果树通过叶子的光合作用合成有机物，供给植物自身的生长发育的需要，剩余的部分留在了一个个苹果之中。我们吃苹果，也就是吃苹果树所储存的食物。

　　苹果树的叶绿素不只存在于叶子中，也存在苹果的果皮中。刚长出的苹果是青绿的，因为其中的叶绿素较多，随着苹果的成熟，果皮中的叶绿素不断分解消失，花青素增加，苹果呈现耀眼诱人的红色。如果在苹果成熟过程中，对果皮进行局部遮挡(如用纸贴字)，阻止阳光照射，果皮内不同的化学反应产生不同数量的叶绿素、花青素和胡萝卜素，果皮就会呈现不同的颜色，一枚艺术苹果就诞生了。

　　三、苹果是种子植物：植物如何传宗接代

　　袁枚有一首写苔的诗，“白日不到处，青春恰自来。苔花如米小，也学牡丹开。”这首诗虽然具有励志的丰富含义，但从植物学的角度来看，苔和牡丹属于不同的植物。苔属于非维管植物，牡丹属于维管植物;苔属于孢子植物，牡丹属于种子植物;苔是不开花植物，牡丹是开花植物。

　　所有植物都需要水。藻类、苔藓类、地钱类植物在水分比较充足的地方生存，它们择水而居，匍匐在潮湿地面、岩石上或者草丛间，躲避阳光，缓慢生长，因为它没有传输水和其他物质的管状结构即维管组织。非维管植物具有类似根、叶、茎的结构，但对植物的生长作用较小，这使得这类植物都长得矮小。非维管植物的繁衍靠的是孢子体，一种能直接发育成新个体的微小细胞。还有一些具有维管的植物，包括蕨类、石松和木贼，也是通过孢子体来繁衍。

　　植物进化由低级到高级，由无维管的藻类、苔藓类孢子植物，到有维管的蕨类孢子植物，再到有维管的种子植物。换句话说，所有种子植物都有几个基本特征：体内具有维管组织，能利用种子进行繁殖，具有根、茎、叶等器官。

　　植物的维管能使植物更适合于陆地生活，也能长得更快或者更大;依靠种子使植物的繁衍有了更加灵活的方式，也能远离它原本生长的地方，特别是能离开水面;功能强大的器官能使它们能够适应艰难的自然环境，提高了生存能力。这就是陆地上的植物十有八九是种子植物的原因。

　　有些种子是显而易见的，如我们吃的稻谷、小麦、玉米、豆子，有些种子不易被人发现，如蒲公英的种子，它藏在小小的白色绒毛中。在风中，蒲公英飞舞起来的伞状绒毛携带着上万颗种子，落入潮湿的泥土中，这些种子会生长发育成新的蒲公英。虽然看起来微不足道，蒲公英的种子和苹果的种子都有一个共同点，它们都被包裹在果实之中，都称为被子植物。有的种子植物如铁树、银杏、松柏的种子并没有被包裹起来，而是裸露在外，它们被称为裸子植物。

　　种子的形状、个头、色彩可能差别很大，但不管是蒲公英的小小种子、苹果的中等大小的种子还是椰子的大号种子，都具有相同的结构：胚、胚乳和种皮。胚是新植物的幼体，将来发育成植物的根、茎和叶，胚乳则为肧的发育提供营养，直到它长大自己能生产食物为止，种皮则起到保护胚的作用。

　　植物的种子形成后，总是希望能够找到一个适宜的地方，并且稍微远离它的出生地去长大，这是种子的传播过程。大自然的种子传播也有多种方式，比如自发的爆发力弹射出去，依靠风力，依靠钩状结构附着于动物身上被带走，依靠被动物吞食然后排泄到新的地方，依靠漂浮在水中被带走。栽种植物的种子则由人类来传播。

　　到了新的地方，有的种子会休眠一段时间，有的种子立刻萌芽，只要环境中有足够的水分和适当的温度。肧根向地下伸展成为植物的根，胚芽和肧轴向上成为植物的叶和茎。叶子是植物的食品加工厂，各个部件像这个厂的车间，大家一起为制造和运输食品服务。例如，表皮是防水层，表皮之下有能吸收太阳能进行光合作用的叶绿体，有林木储存气体的空隙。中间部分是叶脉，有从植物根部吸收水分并输送到叶片的管道，有运输光合作用产生的食物到植物各部分的管道。叶子有气孔，用于吸收二氧化碳，放出氧气和水。植物的茎一方面在根部与叶子之间输送物质，一方面支撑叶片能够更好地接受阳光辐射。那些柔软的茎被称为是草质的，如蒲公英和西红柿的茎;那些坚硬的茎被称为是木质的，如松柏和苹果树的茎。树的木质茎因为每年在春天夏天生长速度不同，会在树桩上形成两个不同颜色的圆环，构成了我们所说的年轮。通过年轮的多少，可以推算出树的年龄;通过年轮的宽窄可以推断出一些气候状况。

　　四、苹果属于蔷薇科：种子如何从花长成

　　种子从何而来?种子发育的地方叫子房，子房位于花中。花是被子植物的生殖器官，花有性别，可分雌雄。一朵典型的花，如包括苹果花在内的蔷薇家族，都包含花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊四个部分。

　　在花开之前那个护花的使者就是花萼，像几片收拢的叶子，保护着含苞待放的花蕾;花萼凋零，花瓣就展露出来，五颜六色的花瓣能够吸引昆虫和其他动物前来采蜜传粉。在花瓣里面，是雄蕊和雌蕊，雌蕊居中而立，雄蕊环绕在雌蕊四周。雄蕊由细长的花丝支撑着，顶端膨大的部分是花药，花药里面装着花粉，也就是植物的雄性细胞，或称精子。雌蕊的下部分是子房，里面装着胚珠，也就是植物的雌性细胞，或称卵子。雌蕊的上部分是柱头，有黏性，能够粘住落在上面的花粉。连接柱头和子房的是细长的花柱，是精子到达卵子的唯一通道。精子与卵子结合后发生受精作用，形成受精卵，受精卵在子房中发育成种子的胚。自然界也不是完美的，有的花朵并不同时具备花萼、花瓣、雄蕊和雌蕊四个部分，有的缺花萼，有的缺雌蕊，有的缺雄蕊，有的缺花瓣。

　　雄性花蕊的花粉到达雌性花蕊的柱头的过程，称为传粉。如果一朵花的雄蕊雌蕊同时成熟又挨得很近，这朵花是幸运的，采用的是自花传粉的方式。花粉很容易落到本花的柱头上，不救助外力就能完成传粉，植物产生种子省却了很多麻烦，比如小麦、稻子、大豆。但自花传粉的缺点也暴露出来，类似于近亲结婚，长此以往，植物种子的遗传性能就会变差，人们不得不用杂交的手段来改良种子。大部分开花植物采用异化传粉的方式，即花粉要借助外在的力量，如风力、水力、昆虫、鸟类、人工活动等途径，把不同花上的花粉传到雌性花蕊的柱头上，这相当于天然杂交过程，来自不是同一朵花的精子和卵子具有极大的遗传差异，受精后发育的后代往往具有更强的适应性。栽种苹果往往采取人工授粉或者人工养殖昆虫如蜜蜂授粉的方式来提高花粉进入花柱的成功率，产出更多的苹果。

　　美国诗人罗伯特·弗罗斯特在一首诗《蔷薇科》中，对把苹果归入蔷薇科感到困惑。他写道：“玫瑰是一种蔷薇，一直都是蔷薇。现在理论认为，苹果是一种蔷薇，梨子是一种蔷薇，我猜李子也是如此。只有上帝知道，下一个谁是一种蔷薇。你，当然是一种玫瑰，且一直都是玫瑰。”

　　把苹果、梨、李等归入蔷薇科，大概是综合了叶子、花萼、花瓣、雄蕊以及它们排列的形状后确定的。比如，叶子螺旋排列，叶子边缘锯齿状;花萼都是五片，花瓣(单层)都是五片，雄蕊螺旋状排列，花萼、花瓣和花蕊组成杯碟状的花型，花朵都绚丽迷人;树枝上常常有刺。

　　如果我们再仔细看一眼苹果种子，会发现种子里面有两片幼小的叶子，这两片叶子被称为子叶。子叶是一片或是两片的事实，把植物分成了两大类。子叶是一片的就是单子叶植物，如玉米、水稻、百合花，它们长出的花一般具有三片花瓣(或者三的倍数)，叶片细长且叶脉是平行的。子叶是两片的就是双子叶植物，如苹果树、大豆、紫罗兰，它们长出的花一般具有四片花瓣或者五片花瓣(或者相应的倍数)，叶片较为宽阔且叶脉是网状的。

　　五、苹果如何保护种子

　　我们食用的苹果部分，不是苹果的种子，而是果肉，是子房之外的其他部分长大后形成的假果。苹果的中间部分是子房形成的果心，将胚发育的种子包裹其中。如果我们把一枚苹果从中间圆的部分横向切开，就会发现果心是一个五角星，这是属于种子居住的五间小房子，每个小房子里有一颗或者两颗深褐色般油亮的种子。我们在吃完甜美可口的果肉后，就把果心扔进垃圾箱了，也就顺便把种子扔进了垃圾箱。如果你舍不得扔掉果心，非要吃进嘴里嚼碎，你马上会觉出苦涩的味道。

　　我们经常吃植物的种子，除了米、面、玉米、豆类等主食和杂粮之外，也直接吃核桃树、板栗树、向日葵的种子核桃、板栗、瓜子。但我们通常不专门嚼吃桃、李、杏和苹果等蔷薇科植物的种子。

　　在日常生活中，我们常称水果里的种子为果仁，如桃仁、杏仁、李子仁、苹果仁。蔷薇科植物的果仁有一个共同的特点，尝起来都有一点苦味。这种苦味来自果仁中的化合物氰苷。氰苷不稳定，容易被酶催化水解，分解产物中含有氰化物，一种有毒物质。不同的果仁含有氰苷的量不一样，比如苦杏仁和樱桃仁含氰苷多，而苹果仁含氰苷的量少。如果把新鲜的苹果用榨汁机进行处理，苹果仁也会被打碎进入鲜苹果汁中，人们喝下去，因为氰苷量很低，不会引发人的食物中毒。当然不同年龄的人承受氰苷的能力不一样，因为婴儿承受能力低，可能会对鲜苹果汁有不良反应。

　　为什么种子会有毒?这大概是植物自我保护的一种方式。种子有毒，它未成熟的后代就不会被动物吃掉。种子保护自己的方法很多，比如蓖麻，它含有蓖麻素，如果人们把几颗蓖麻籽放进嘴里嚼，就会立马中毒;蓖麻还含有动物无法消化的油脂，用来保护种子中的养分。野生的油菜籽中的油脂对小动物的心脏有害。一些坚果用坚硬的果壳来保护种子，如葵花籽、板栗;花生除了果壳外，还把自己深埋在土里。不过，动物即使会吃掉一些种子，但它们也将未吃完的种子带到了较远的地方，供它们在此萌芽成长。

　　种子有毒对人类来说并不完全是坏事。这些毒素具有专一性，对特定动物有毒性，或者能杀死特定的细胞，如果用量合适，往往具有生物杀虫价值或者医用价值。例如，辣椒含有生物碱，可以阻止啮齿动物摄食种子，而不会对传播它们的鸟类产生坏的影响;蔷薇科植物的果仁特别是苦杏仁作为中药，有止咳平喘、润肠通便的功效;蓖麻素可作为抗癌药物，葡萄籽具有抗菌作用。