沙漠竟然也會得“皮膚病”，怎麼治？

新疆塔克拉瑪干沙漠是世界第二大沙漠，擁有流動的沙丘表面，但是在古爾班通古特沙漠，沙漠“皮膚”是導致沙丘被固定住的主要因素。與此同時，沙漠裏還存在着苔蘚植物，遇水後由“黑”變“綠”，沙漠中的植物更是自帶“防曬霜”，它們相當於沙漠的保護層，被稱為生物土壤結皮。沙漠“皮膚”長什麼樣？沙漠中的生物應該如何生存？我們怎麼治療沙漠“皮膚病”？

出品：格致論道講壇

以下內容為中國科學院新疆生態與地理研究所研究員張元明演講實錄：

大家好，我今天想通過一個對大家既熟悉又陌生的故事，分享我們的科研經歷，讓大家瞭解我們大自然。

今天我帶來的演講題目是沙漠皮膚，我想沙漠大家非常熟悉，皮膚也非常熟悉，那麼這兩個名詞放到一起的時候，可能很多人就要問了，沙漠也有皮膚嗎？沙漠的皮膚長什麼樣呢？沙漠的皮膚能像人類的皮膚一樣去保護沙漠嗎？

今天我將帶領大家一起進入這個神奇的微觀世界。這張圖片展示的是大家非常熟悉的沙漠景觀，浩瀚無垠、黃沙漫天。

全世界有不少這樣的沙漠。新疆塔克拉瑪干沙漠是世界第二大沙漠，也是中國最大的沙漠。

塔克拉瑪干沙漠的面積為33萬平方千米，相當於好幾個歐洲國家的面積之和。這個沙漠最重要的特點表現為沙丘表面是流動的，它表面上的沙粒是活動的。

再看看另一個沙漠。可能很多人見到這個沙漠都心存疑惑：這也叫沙漠？沙漠不應該是黃沙漫漫嗎？這個的確也叫沙漠，它就在新疆北部的準噶爾盆地腹地，叫古爾班通古特沙漠。

這個沙漠跟塔克拉瑪干沙漠最大的不同在於，它的表面是固定或者是半固定的。沙丘的頂部有一些流動帶，但沙丘的坡部和底部基本上屬於固定狀態。導致沙丘被固定住的一個很重要的因素就是我們剛才提到的沙漠“皮膚”。

博格達的故事

介紹完沙漠，接下來我們進入另外一個世界。

這裏是我在20多年前做博士論文時的研究區域——博格達山，從天池再往上走就到了。

之所以我會去博格達山，主要是為了採集苔蘚植物標本。生活在這裏的苔蘚非常優雅，它們抬着高傲的孢蒴，在爭取陽光，在吸收水分，在拼命生長，在繁衍後代。

我在博格達山區待了一個月，天天採集這些植物標本，以便搞清楚苔蘚植物在該山區流域系統中是如何分佈的，它們的生態關係是怎樣的。

由於我做的是全流域研究，所以我必須要從山上下來進入荒漠，因為荒漠是山地河流的尾閭區。於是，我就到了沙漠，俯下身子開始尋找我所需要的苔蘚植物。

起初，我覺得在沙漠地區不大可能會找到苔蘚植物，因為我們都知道，苔蘚一般生活在比較濕潤的地方。沙漠裏面怎麼可能會有呢，它們多半無法在沙漠中存活。

但是後來，我發現沙漠裏確實有苔蘚植物——地表上那黑乎乎的、不招人待見的一片就是我要採集的苔蘚植物。

從上圖可以看出來，這些苔蘚植物並不乍眼，覆蓋在地表上，看起來既幹又黑。我們當時既不知道對於沙漠來説它們有什麼作用，也不知道它們究竟是如何生存下來的。

從常理來講，完成採樣之後，我就可以從沙漠回到山地去了；但是，在野外的一次偶然發現，讓我從此以後把研究重心全部轉移到了沙漠。

一天，身邊的礦泉水瓶不小心倒了，瓶子裏的水流出來，浸潤了地表那層黑乎乎的東西，不過幾秒鐘時間，原本黑乎乎的表面就變綠了，令人驚訝不已。回到實驗室，我們對材料進行了研究。

這個動圖展示了植物樣本吸水前後的變化狀態。處於休眠中的乾燥植物體遇到水分後開始展葉復活，由黑變綠，只需幾秒鐘便欣欣向榮。這個現象深深打動了我，最終我選擇回到沙漠。

回到沙漠後，我發現這些黑乎乎的東西，就是剛才我們在動圖中看到的非常神奇的生物。那麼，這些黑乎乎的東西有什麼作用呢？

這兩張照片拍攝自同一地點，左邊的照片拍攝於2002年，照片裏這層黑乎乎的東西尚完好無損。通過風動實驗我們發現，哪怕面對10級以上的大風，覆蓋了這種生物的地表依然巋然不動，非常穩定。而當有一大羣羊踩踏過去之後，地表就變了模樣。

這是2005年拍攝的照片，照片中的場景反映了沙漠的本性——去掉覆蓋物的地表之下就是一片黃沙。

通過這兩張照片的對比，我們知道，對沙漠來講，這層東西就相當於一個保護層，所以我們把它稱為沙漠“皮膚”。我想大家現在可能會理解了這個概念。

什麼是沙漠皮膚

從學術角度來講，沙漠“皮膚”應該被稱為生物土壤結皮。沙漠“皮膚”到底長什麼樣子？就長這個樣子，這是它的4張“眾生相”，有平的，有皺的，有黑的，有黃的。

我們來看看其中最簡單的一種沙漠“皮膚”。它生長在沙漠表面，如果不挖開這個剖面，大家看到的就只是沙漠，而不會注意到沙漠表面會有這麼一個薄層。

這個薄層非常神奇。為了弄清楚它的結構，我們從野外把這個薄層取回到實驗室進行觀察，結果發現薄層內大有乾坤。簡單從這張照片來看，沙粒好像被什麼東西包裹着、牽引着，彼此連接成了一個整體。

我們把這個薄層放在電子顯微鏡下觀察。放大2000倍後，可以看到，薄層中間被很多繩索狀的東西捆綁着、纏繞着，維持着某種結構。

繼續放大後再觀察，這顆很小的沙粒已經變得像巨石一般大了。“巨石”表面有繩索樣的東西纏繞着它，纏繞完一個，再去纏繞另一個，最終將沙粒連接起來，形成了剛才我們看到的那層“皮膚”。

為什麼叫它“皮膚”呢？因為它是有活性的，它能像真正的人類皮膚一樣去呼吸、去排泄、去生產、去維護荒漠生態系統的穩定。

我們在光學顯微鏡下觀察這些“繩索”，發現它們是綠色的。綠色的植物體意味着它能夠進行光合作用，能夠自力更生養活自己。

剛才我們看到的是一個很小的處於初級發育階段的薄片。即便是這樣，它也可以具有如此神奇的功能，一旦它變厚了，其保護功能和生態功能也將變得更加豐富。這裏就不一一介紹了。

再回到我們的演講主題——“皮膚”。左圖是我們人類的皮膚，它有很多的結構，有輸導組織、神經組織等等。

右圖是我們剛才所講的小薄層中所包含的生物體，它具有類似皮膚所能夠行使的功能。它和皮膚一樣，有兩個最大的特點：第一，起保護作用；第二，有生物活性。

進一步研究沙漠“皮膚”，我們會發現，“皮膚”裏面的物種還是非常豐富的，既有單細胞生物，也有多細胞生物，還有絲狀的以及團狀的生物.

它們聚集在一起組成一個“大家庭”，共同保護我們的沙漠。這是在“沙漠皮膚”中生活的比較簡單的生物。

除此之外，“沙漠皮膚”中還生活着一些更為複雜的生物。它們有根、莖、葉的分化，如苔蘚等。

我們知道，無論是前面介紹的單細胞的藻類也好，還是具有根、莖、葉分化的苔蘚植物也罷，它們的繁殖與生長都是需要水分的。

儘管北疆的沙漠有一定的植被覆蓋率，但從本質上説，它還是沙漠，它的土地是貧瘠的，它的大氣是乾燥的，它的土壤也是乾燥的，加之強光的干擾和影響，環境不可謂不艱苦。

面對種種不利條件，這些物種為什麼還要在沙漠“安家”？它們在沙漠裏到底是怎麼生存下來的？我們的研究團隊抓住這個切入點，做了更深入的研究。

沙漠中的生物如何生存

沙漠是貧瘠的。儘管如此，生長在沙漠中的物種還是能夠實現自給自足。為了能夠養活自己，這些微小的生物除了能夠進行光合作用以外，它們還具有一個特別重要的功能——固氮。

氮是植物生長的必需元素之一。雖然大氣成分當中，70%以上都是氮氣，但這些氮氣並不能直接為植物所用，只有將其固定下來，轉化成可供利用的化合物，才能夠被植物利用。

沙漠中有很多微小的生物都具有這種強大的功能，它們能把氮氣固定下來，轉化成肥料供自己使用，用不完的再留給其他植物，由此形成了一個非常穩定的小團體。所以，我們説它們是“自帶乾糧，豐衣足食”。

可能很多人都去過北疆的沙漠，在這一地區，地表上只有薄薄一層微小生物覆蓋；但就是依靠這些微小生物，整個古爾班通古特沙漠每年可以固定約4500噸氮素，這得相當於多少袋尿素啊。我們把這些微小生物稱為“天然綠肥”，它們豐富着沙漠地區植物的生長環境。

沙漠中不僅有高温，還有強光。大家去沙漠都要打傘，但沙漠裏的植物打不了，尤其是地表這種非常脆弱的生物體。但不用擔心，它也有自己的辦法防曬，我們形象地説它“自帶防曬霜”。

我們看最左邊這張圖，當苔蘚植物生長的時候，它的植株肯定是綠色的；但是當外界條件不利於它們生長時，植株就變成了黑色。與此同時，苔蘚植物會把所有的葉片收起來，緊靠莖幹。

此外，其葉片頂端還具有很多白色的結構，我們稱之為芒尖。苔蘚植物會利用葉片頂端白色芒尖來強化對強光和紫外線的反射，避免植株體受到傷害。所以，我們説這種苔蘚植物是頂端“自帶防曬霜”。

對於苔蘚植物來説，其頂端的白色芒尖不僅僅是“防曬霜”，它還能起到輸水管的作用。下方這組照片反映的是在不同尺度下的芒尖結構。將其尺度縮小到微米和納米級的時候，我們發現，從生物力學角度看，白色芒尖裏有很多在納米尺度修飾過的結構。

經過計算可知，這些結構是水分子在物體表面形成水膜的最佳配置。所以，植物非常非常神奇，這些都是它通過自然選擇，不斷進化出來的。

研究發現，這種結構表面有很多運河式的溝槽，這些微米級的結構非常有利於植物發揮表面毛細管作用，有利於水滴向下運輸。

而且這類植物還有一點非常神奇，它不是靠根吸收水分，而是依靠葉片通過這些表面精細結構直接從空氣中吸收水分。所以，它的根被稱為假根，假根只起到穩定植物體，使其固着於基質的作用。

儘管沙漠地區空氣中所含的水分非常少，但植物頂端的芒尖依然能夠把空氣中的水分拽出來，為己所用。

我們和美國同行一道將這一研究成果發表在《Nature》雜誌的子刊《Nature Plants》上。《Science》雜誌也對該項研究進行了報道。

該雜誌的評論認為，如果人類可以利用這種非常神奇的、精緻的自然結構，人為製造“水分收集器”，並將其放到沙漠裏，是不是就能幫助在沙漠中生活的人類收集水分呢？

或許該項研究的成果在未來人類探索火星時也會得到應用。我認為，這個發現在仿生學方面是值得參考的。

通常情況下，大多數人會在夏天、秋天或是春天去沙漠，很少人會選擇在冬天去沙漠遊玩，因此也少有人能見到沙漠中的雪景。這是北疆古爾班通古特沙漠被白雪覆蓋的景象。

雖然我不是從事氣候變化研究的，但我也在關注沙漠地區的積雪情況。我們注意到，在萬物生長的季節，剛才所説的“皮膚”並未生長，而是處於休眠狀態，它是乾的，你用手一搓就碎了。

與此同時，別的植物在大量生長、繁衍。這些“皮膚”在幹什麼？為什麼選擇在這一時間段“睡大覺”？

我們猜測，很可能有某個環節被我們忽略了，也就是在這個環節，它迅速生長。而這個沒有被注意到的環節恰恰就是冬季，因為我們很少在冬季去沙漠。在冬季，古爾班通古特沙漠表面會有30～40釐米厚的積雪，並維持三四個月。

我們把積雪撥開後，秘密就解開了：苔蘚植物體上都帶着冰晶，它們頂着滿頭的冰在“高興”地生長。你們看，植株都是綠色的，綠色就意味着生長。那麼，在這樣惡劣的環境下，它們是如何生長的？

在炎熱的夏天，植物有耐旱基因發揮作用；在殘暴的冬天，植物也自有耐寒基因來應對。

這個小小的植物體內包含了很多非常寶貴的種質基因，正是因為這些基因，植物才能克服不利的環境條件生存下來。經過多年進化，這些脆弱的物種早已跟沙漠融為一體。

講到這裏，大家可能會説，沙漠“皮膚”真好，越多越好，如果整個沙漠都是它們就好了。但是，我要告訴大家，這是不行的。任何事物都有兩面性，如果結皮大量生長，其他物種的生存空間就會迅速喪失。

上圖是我收集的生長在這個區域的一些植物的種子。我們看到，這些種子的形態大不相同，有些外面還有附屬物——有的“戴着帽子”，有的“穿着衣服”，還有的“放着風箏”……此外，也有些種子在“裸奔”——什麼附屬物都不帶。

我們猜測這種“裸奔”的種子可能更容易在“皮膚”上生存。因為它更容易掉到縫隙和孔隙當中，接觸土壤，並開始萌發。

種子一定要藉助土壤才能保證它的生命力。如果脱離土壤太久，就會喪失生命力，而且也不能發育成單獨的個體，長成一棵小草。

經過實驗，我們發現，最初的假設成立，那些“拽着風箏”“戴着長帽子”的都不適合在這樣的環境裏生長。

久而久之，該區域裏具有這種特徵的種子難以萌發，它所對應的植物因此會逐漸退出歷史舞台，最終導致該區域植物多樣性的下降。而某區域植物多樣性的降低，意味着該區域的生態系統不夠穩定。

我們還發現了一個非常奇怪的現象：雖説很多種子帶了附屬物的植物在沙漠裏不易生存，但在沙漠中那些長滿“皮膚”的地方，出現了大量的綠色植物。

更為奇怪的是，這些綠色植物的種子比我前面列舉的植物種子還要怪異——它們的附屬物很長、很大。它們就長這樣，那層黑乎乎的東西還是結皮。

我們看到，圖片右下角像子彈頭一樣的東西就是它的種子；從種子上伸出一個“旗杆”，“旗杆”頂上還有“羽毛”，這都是種子的附屬物。

它是靠下面的“子彈頭”來產生下一代植物的。把結皮拔起來，植物的種子就在裏面。按理説，由於種子後面拖着長長的“旗杆”，在它落地之後應該被隔離在結皮外面才對，它是怎麼進到結皮裏面的呢？

這是種子上部的附屬物的示意圖。在“羽毛”之前有一個螺旋，螺旋之後就是長長的“羽毛”。

種子落地之後，在風力的作用下，它會在結皮上找到一些小的空隙，並落在空隙裏。但因為後面拖着長長的“尾巴”，所以它沒辦法完全穿透結皮。

於是，它的“羽毛”開始發揮作用了，“羽毛”和種子之間有一個夾角，當有風吹來時，“羽毛”會旋轉。

同時，“羽毛”前面的螺旋受到水分的浸潤時，會逐漸解開、伸直。再加上不斷隨風旋轉的“羽毛”，種子最終能夠完整地穿透結皮，進入土壤中。

從照片來看，“子彈頭”表面是白色的，這是它的附屬毛——種子毛，種子毛具有倒刺結構，這就決定了種子行進的方向——只能往下走，而不能往上走，退回來，就像射出去的箭頭一樣。

上面的視頻中，4顆種子已經穿透結皮進入到土壤中去了。隨着風的吹拂，“羽毛”帶着種子不斷擺動、旋轉。

仔細觀察，我們可以發現，種子的螺旋結構和它的羽毛結構以及它的運動，都使得種子能夠很好地適應當下的環境。

所以，我們看到，在黑乎乎的結皮上生長着這樣一些“明星”植物。這個植物長得很漂亮，而且也確實有獨特的生存之道。

沙漠皮膚病

從上面的介紹我們知道，土壤結皮歸根結底是個好東西。如果它不得“皮膚病”，一定能保護好沙漠這個主人。但對於如今的沙漠而言，患上“皮膚病”的確實不少。

這個“皮膚病”來自於人類的干擾，其中有大型工程的干擾，有大型車輛的干擾，導致沙漠的“皮膚”斑斑駁駁，“疾病”久治不愈。

另一方面，沙漠離不開結皮，沒有它，沙漠就不穩定，會缺乏營養，失去調節者。放牧對沙漠結皮的破壞也很大，所以我們要加強對沙漠結皮的保護。

如今，沙漠旅遊、沙漠徒步已逐步為“新興人類”所關注，但大家不要忘記去沙漠徒步的時候，要儘量排成一隊，儘可能不要大規模地破壞地表結皮，避免不文明行為。

One footprint into the biological soil crust can destroy hundreds of years of growth instantly!

最後，我想用美國拱門國家公園的招牌式標語結束演講。這句話的意思是你踩在結皮上的這一個腳印，瞬間就可以將已經發育和生長了數百年的生命摧毀。

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