新疆塔克拉玛干沙漠是世界第二大沙漠，拥有流动的沙丘表面，但是在古尔班通古特沙漠，沙漠“皮肤”是导致沙丘被固定住的主要因素。与此同时，沙漠里还存在着苔藓植物，遇水后由“黑”变“绿”，沙漠中的植物更是自带“防晒霜”，它们相当于沙漠的保护层，被称为生物土壤结皮。沙漠“皮肤”长什么样？沙漠中的生物应该如何生存？我们怎么治疗沙漠“皮肤病”？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院新疆生态与地理研究所研究员张元明演讲实录：
大家好，我今天想通过一个对大家既熟悉又陌生的故事，分享我们的科研经历，让大家了解我们大自然。
今天我带来的演讲题目是沙漠皮肤，我想沙漠大家非常熟悉，皮肤也非常熟悉，那么这两个名词放到一起的时候，可能很多人就要问了，沙漠也有皮肤吗？沙漠的皮肤长什么样呢？沙漠的皮肤能像人类的皮肤一样去保护沙漠吗？
今天我将带领大家一起进入这个神奇的微观世界。这张图片展示的是大家非常熟悉的沙漠景观，浩瀚无垠、黄沙漫天。
全世界有不少这样的沙漠。新疆塔克拉玛干沙漠是世界第二大沙漠，也是中国最大的沙漠。
塔克拉玛干沙漠的面积为33万平方千米，相当于好几个欧洲国家的面积之和。这个沙漠最重要的特点表现为沙丘表面是流动的，它表面上的沙粒是活动的。
再看看另一个沙漠。可能很多人见到这个沙漠都心存疑惑：这也叫沙漠？沙漠不应该是黄沙漫漫吗？这个的确也叫沙漠，它就在新疆北部的准噶尔盆地腹地，叫古尔班通古特沙漠。
这个沙漠跟塔克拉玛干沙漠最大的不同在于，它的表面是固定或者是半固定的。沙丘的顶部有一些流动带，但沙丘的坡部和底部基本上属于固定状态。导致沙丘被固定住的一个很重要的因素就是我们刚才提到的沙漠“皮肤”。
博格达的故事
介绍完沙漠，接下来我们进入另外一个世界。
这里是我在20多年前做博士论文时的研究区域——博格达山，从天池再往上走就到了。
之所以我会去博格达山，主要是为了采集苔藓植物标本。生活在这里的苔藓非常优雅，它们抬着高傲的孢蒴，在争取阳光，在吸收水分，在拼命生长，在繁衍后代。
我在博格达山区待了一个月，天天采集这些植物标本，以便搞清楚苔藓植物在该山区流域系统中是如何分布的，它们的生态关系是怎样的。
由于我做的是全流域研究，所以我必须要从山上下来进入荒漠，因为荒漠是山地河流的尾闾区。于是，我就到了沙漠，俯下身子开始寻找我所需要的苔藓植物。
起初，我觉得在沙漠地区不大可能会找到苔藓植物，因为我们都知道，苔藓一般生活在比较湿润的地方。沙漠里面怎么可能会有呢，它们多半无法在沙漠中存活。
但是后来，我发现沙漠里确实有苔藓植物——地表上那黑乎乎的、不招人待见的一片就是我要采集的苔藓植物。
从上图可以看出来，这些苔藓植物并不乍眼，覆盖在地表上，看起来既干又黑。我们当时既不知道对于沙漠来说它们有什么作用，也不知道它们究竟是如何生存下来的。
从常理来讲，完成采样之后，我就可以从沙漠回到山地去了；但是，在野外的一次偶然发现，让我从此以后把研究重心全部转移到了沙漠。
一天，身边的矿泉水瓶不小心倒了，瓶子里的水流出来，浸润了地表那层黑乎乎的东西，不过几秒钟时间，原本黑乎乎的表面就变绿了，令人惊讶不已。回到实验室，我们对材料进行了研究。
这个动图展示了植物样本吸水前后的变化状态。处于休眠中的干燥植物体遇到水分后开始展叶复活，由黑变绿，只需几秒钟便欣欣向荣。这个现象深深打动了我，最终我选择回到沙漠。
回到沙漠后，我发现这些黑乎乎的东西，就是刚才我们在动图中看到的非常神奇的生物。那么，这些黑乎乎的东西有什么作用呢？
这两张照片拍摄自同一地点，左边的照片拍摄于2002年，照片里这层黑乎乎的东西尚完好无损。通过风动实验我们发现，哪怕面对10级以上的大风，覆盖了这种生物的地表依然岿然不动，非常稳定。而当有一大群羊踩踏过去之后，地表就变了模样。
这是2005年拍摄的照片，照片中的场景反映了沙漠的本性——去掉覆盖物的地表之下就是一片黄沙。
通过这两张照片的对比，我们知道，对沙漠来讲，这层东西就相当于一个保护层，所以我们把它称为沙漠“皮肤”。我想大家现在可能会理解了这个概念。
什么是沙漠皮肤
从学术角度来讲，沙漠“皮肤”应该被称为生物土壤结皮。沙漠“皮肤”到底长什么样子？就长这个样子，这是它的4张“众生相”，有平的，有皱的，有黑的，有黄的。
我们来看看其中最简单的一种沙漠“皮肤”。它生长在沙漠表面，如果不挖开这个剖面，大家看到的就只是沙漠，而不会注意到沙漠表面会有这么一个薄层。
这个薄层非常神奇。为了弄清楚它的结构，我们从野外把这个薄层取回到实验室进行观察，结果发现薄层内大有乾坤。简单从这张照片来看，沙粒好像被什么东西包裹着、牵引着，彼此连接成了一个整体。
我们把这个薄层放在电子显微镜下观察。放大2000倍后，可以看到，薄层中间被很多绳索状的东西捆绑着、缠绕着，维持着某种结构。
继续放大后再观察，这颗很小的沙粒已经变得像巨石一般大了。“巨石”表面有绳索样的东西缠绕着它，缠绕完一个，再去缠绕另一个，最终将沙粒连接起来，形成了刚才我们看到的那层“皮肤”。
为什么叫它“皮肤”呢？因为它是有活性的，它能像真正的人类皮肤一样去呼吸、去排泄、去生产、去维护荒漠生态系统的稳定。
我们在光学显微镜下观察这些“绳索”，发现它们是绿色的。绿色的植物体意味着它能够进行光合作用，能够自力更生养活自己。
刚才我们看到的是一个很小的处于初级发育阶段的薄片。即便是这样，它也可以具有如此神奇的功能，一旦它变厚了，其保护功能和生态功能也将变得更加丰富。这里就不一一介绍了。
再回到我们的演讲主题——“皮肤”。左图是我们人类的皮肤，它有很多的结构，有输导组织、神经组织等等。
右图是我们刚才所讲的小薄层中所包含的生物体，它具有类似皮肤所能够行使的功能。它和皮肤一样，有两个最大的特点：第一，起保护作用；第二，有生物活性。
进一步研究沙漠“皮肤”，我们会发现，“皮肤”里面的物种还是非常丰富的，既有单细胞生物，也有多细胞生物，还有丝状的以及团状的生物.
它们聚集在一起组成一个“大家庭”，共同保护我们的沙漠。这是在“沙漠皮肤”中生活的比较简单的生物。
除此之外，“沙漠皮肤”中还生活着一些更为复杂的生物。它们有根、茎、叶的分化，如苔藓等。
我们知道，无论是前面介绍的单细胞的藻类也好，还是具有根、茎、叶分化的苔藓植物也罢，它们的繁殖与生长都是需要水分的。
尽管北疆的沙漠有一定的植被覆盖率，但从本质上说，它还是沙漠，它的土地是贫瘠的，它的大气是干燥的，它的土壤也是干燥的，加之强光的干扰和影响，环境不可谓不艰苦。
面对种种不利条件，这些物种为什么还要在沙漠“安家”？它们在沙漠里到底是怎么生存下来的？我们的研究团队抓住这个切入点，做了更深入的研究。
沙漠中的生物如何生存
沙漠是贫瘠的。尽管如此，生长在沙漠中的物种还是能够实现自给自足。为了能够养活自己，这些微小的生物除了能够进行光合作用以外，它们还具有一个特别重要的功能——固氮。
氮是植物生长的必需元素之一。虽然大气成分当中，70%以上都是氮气，但这些氮气并不能直接为植物所用，只有将其固定下来，转化成可供利用的化合物，才能够被植物利用。
沙漠中有很多微小的生物都具有这种强大的功能，它们能把氮气固定下来，转化成肥料供自己使用，用不完的再留给其他植物，由此形成了一个非常稳定的小团体。所以，我们说它们是“自带干粮，丰衣足食”。
可能很多人都去过北疆的沙漠，在这一地区，地表上只有薄薄一层微小生物覆盖；但就是依靠这些微小生物，整个古尔班通古特沙漠每年可以固定约4500吨氮素，这得相当于多少袋尿素啊。我们把这些微小生物称为“天然绿肥”，它们丰富着沙漠地区植物的生长环境。
沙漠中不仅有高温，还有强光。大家去沙漠都要打伞，但沙漠里的植物打不了，尤其是地表这种非常脆弱的生物体。但不用担心，它也有自己的办法防晒，我们形象地说它“自带防晒霜”。
我们看最左边这张图，当苔藓植物生长的时候，它的植株肯定是绿色的；但是当外界条件不利于它们生长时，植株就变成了黑色。与此同时，苔藓植物会把所有的叶片收起来，紧靠茎干。
此外，其叶片顶端还具有很多白色的结构，我们称之为芒尖。苔藓植物会利用叶片顶端白色芒尖来强化对强光和紫外线的反射，避免植株体受到伤害。所以，我们说这种苔藓植物是顶端“自带防晒霜”。
对于苔藓植物来说，其顶端的白色芒尖不仅仅是“防晒霜”，它还能起到输水管的作用。下方这组照片反映的是在不同尺度下的芒尖结构。将其尺度缩小到微米和纳米级的时候，我们发现，从生物力学角度看，白色芒尖里有很多在纳米尺度修饰过的结构。
经过计算可知，这些结构是水分子在物体表面形成水膜的最佳配置。所以，植物非常非常神奇，这些都是它通过自然选择，不断进化出来的。
研究发现，这种结构表面有很多运河式的沟槽，这些微米级的结构非常有利于植物发挥表面毛细管作用，有利于水滴向下运输。
而且这类植物还有一点非常神奇，它不是靠根吸收水分，而是依靠叶片通过这些表面精细结构直接从空气中吸收水分。所以，它的根被称为假根，假根只起到稳定植物体，使其固着于基质的作用。
尽管沙漠地区空气中所含的水分非常少，但植物顶端的芒尖依然能够把空气中的水分拽出来，为己所用。
我们和美国同行一道将这一研究成果发表在《Nature》杂志的子刊《Nature Plants》上。《Science》杂志也对该项研究进行了报道。
该杂志的评论认为，如果人类可以利用这种非常神奇的、精致的自然结构，人为制造“水分收集器”，并将其放到沙漠里，是不是就能帮助在沙漠中生活的人类收集水分呢？
或许该项研究的成果在未来人类探索火星时也会得到应用。我认为，这个发现在仿生学方面是值得参考的。
通常情况下，大多数人会在夏天、秋天或是春天去沙漠，很少人会选择在冬天去沙漠游玩，因此也少有人能见到沙漠中的雪景。这是北疆古尔班通古特沙漠被白雪覆盖的景象。
虽然我不是从事气候变化研究的，但我也在关注沙漠地区的积雪情况。我们注意到，在万物生长的季节，刚才所说的“皮肤”并未生长，而是处于休眠状态，它是干的，你用手一搓就碎了。
与此同时，别的植物在大量生长、繁衍。这些“皮肤”在干什么？为什么选择在这一时间段“睡大觉”？
我们猜测，很可能有某个环节被我们忽略了，也就是在这个环节，它迅速生长。而这个没有被注意到的环节恰恰就是冬季，因为我们很少在冬季去沙漠。在冬季，古尔班通古特沙漠表面会有30～40厘米厚的积雪，并维持三四个月。
我们把积雪拨开后，秘密就解开了：苔藓植物体上都带着冰晶，它们顶着满头的冰在“高兴”地生长。你们看，植株都是绿色的，绿色就意味着生长。那么，在这样恶劣的环境下，它们是如何生长的？
在炎热的夏天，植物有耐旱基因发挥作用；在残暴的冬天，植物也自有耐寒基因来应对。
这个小小的植物体内包含了很多非常宝贵的种质基因，正是因为这些基因，植物才能克服不利的环境条件生存下来。经过多年进化，这些脆弱的物种早已跟沙漠融为一体。
讲到这里，大家可能会说，沙漠“皮肤”真好，越多越好，如果整个沙漠都是它们就好了。但是，我要告诉大家，这是不行的。任何事物都有两面性，如果结皮大量生长，其他物种的生存空间就会迅速丧失。
上图是我收集的生长在这个区域的一些植物的种子。我们看到，这些种子的形态大不相同，有些外面还有附属物——有的“戴着帽子”，有的“穿着衣服”，还有的“放着风筝”……此外，也有些种子在“裸奔”——什么附属物都不带。
我们猜测这种“裸奔”的种子可能更容易在“皮肤”上生存。因为它更容易掉到缝隙和孔隙当中，接触土壤，并开始萌发。
种子一定要借助土壤才能保证它的生命力。如果脱离土壤太久，就会丧失生命力，而且也不能发育成单独的个体，长成一棵小草。
经过实验，我们发现，最初的假设成立，那些“拽着风筝”“戴着长帽子”的都不适合在这样的环境里生长。
久而久之，该区域里具有这种特征的种子难以萌发，它所对应的植物因此会逐渐退出历史舞台，最终导致该区域植物多样性的下降。而某区域植物多样性的降低，意味着该区域的生态系统不够稳定。
我们还发现了一个非常奇怪的现象：虽说很多种子带了附属物的植物在沙漠里不易生存，但在沙漠中那些长满“皮肤”的地方，出现了大量的绿色植物。
更为奇怪的是，这些绿色植物的种子比我前面列举的植物种子还要怪异——它们的附属物很长、很大。它们就长这样，那层黑乎乎的东西还是结皮。
我们看到，图片右下角像子弹头一样的东西就是它的种子；从种子上伸出一个“旗杆”，“旗杆”顶上还有“羽毛”，这都是种子的附属物。
它是靠下面的“子弹头”来产生下一代植物的。把结皮拔起来，植物的种子就在里面。按理说，由于种子后面拖着长长的“旗杆”，在它落地之后应该被隔离在结皮外面才对，它是怎么进到结皮里面的呢？
这是种子上部的附属物的示意图。在“羽毛”之前有一个螺旋，螺旋之后就是长长的“羽毛”。
种子落地之后，在风力的作用下，它会在结皮上找到一些小的空隙，并落在空隙里。但因为后面拖着长长的“尾巴”，所以它没办法完全穿透结皮。
于是，它的“羽毛”开始发挥作用了，“羽毛”和种子之间有一个夹角，当有风吹来时，“羽毛”会旋转。
同时，“羽毛”前面的螺旋受到水分的浸润时，会逐渐解开、伸直。再加上不断随风旋转的“羽毛”，种子最终能够完整地穿透结皮，进入土壤中。
从照片来看，“子弹头”表面是白色的，这是它的附属毛——种子毛，种子毛具有倒刺结构，这就决定了种子行进的方向——只能往下走，而不能往上走，退回来，就像射出去的箭头一样。
上面的视频中，4颗种子已经穿透结皮进入到土壤中去了。随着风的吹拂，“羽毛”带着种子不断摆动、旋转。
仔细观察，我们可以发现，种子的螺旋结构和它的羽毛结构以及它的运动，都使得种子能够很好地适应当下的环境。
所以，我们看到，在黑乎乎的结皮上生长着这样一些“明星”植物。这个植物长得很漂亮，而且也确实有独特的生存之道。
沙漠皮肤病
从上面的介绍我们知道，土壤结皮归根结底是个好东西。如果它不得“皮肤病”，一定能保护好沙漠这个主人。但对于如今的沙漠而言，患上“皮肤病”的确实不少。
这个“皮肤病”来自于人类的干扰，其中有大型工程的干扰，有大型车辆的干扰，导致沙漠的“皮肤”斑斑驳驳，“疾病”久治不愈。
另一方面，沙漠离不开结皮，没有它，沙漠就不稳定，会缺乏营养，失去调节者。放牧对沙漠结皮的破坏也很大，所以我们要加强对沙漠结皮的保护。
如今，沙漠旅游、沙漠徒步已逐步为“新兴人类”所关注，但大家不要忘记去沙漠徒步的时候，要尽量排成一队，尽可能不要大规模地破坏地表结皮，避免不文明行为。
One footprint into the biological soil crust can destroy hundreds of years of growth instantly!
最后，我想用美国拱门国家公园的招牌式标语结束演讲。这句话的意思是你踩在结皮上的这一个脚印，瞬间就可以将已经发育和生长了数百年的生命摧毁。
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