海帶竟然不算植物！這得從演化開始說

「門綱目科屬種」，當初在生物課上背得滾瓜爛熟的分類系統如今依然是分類學領域的重要框架。近幾十年來的最新分子研究能否為分類學帶來更多的可能性？分類學上如何梳理例如雜交品種這類複雜的關係？上海辰山植物園高級工程師，科普作家劉夙將和大家分享《為什麼會光合作用的海帶不是植物？》。

劉夙演講視頻：

以下為劉夙演講實錄：

我是劉夙，在上海辰山植物園工作。我的本職是做科普，同時我也從事植物分類的研究。

在我的研究中，面臨的一個核心問題就是：什麼是植物？

可能大家會覺得，這還不好說嗎？能動的是動物，不能動的就是植物——大部分植物都不能夠以人明顯察覺的速率運動。

或許你還知道另一條標準：很多植物能夠進行光合作用。植物能利用光能把水和二氧化碳化合成糖類和氧氣，也因此成為地球生物圈裡非常重要的組成部分。

但並不是所有不會動的生物都能夠進行光合作用，比如蘑菇和木耳就不行。

這種二分法把地球上的所有的生物分成動物和植物，看上去有點簡單粗暴，但很實用。心理學家甚至發現，幾乎世界上所有的族群都會這樣劃分，可能是人類的一種先天心理。

西方人也不例外。比如，18世紀著名的瑞典博物學家、有「現代植物學之父」之稱的林奈——說到生物分類人們總會提起他。圖右是戴著假髮的林奈，他在年輕的時候就已經出過一個小冊子，將生物劃分為動物和植物。圖左展示的是人們日常能夠接觸到的生物。

林奈的二分法在西方流傳了很久，但它就是合理的嗎？

並不是，因為它是一種非常「人工」的分類。

我們現在有一種觀念，覺得人工的東西不好。比如，人工添加劑就不好。

科學方面，我們也有類似的意識，要追求一種自然而非人為的分類。什麼叫自然的分類呢？19世紀達爾文提出基於自然選擇的演化論之後，這個問題算是有了一個明確的回答：一定要把某種生物祖先的所有後代都包括在內。也就是說，必須要確切地梳理生物演化的情況。

達爾文有一個重要觀點，即所有的生物都有一個共同的祖先，用上圖最底部的白點表示。然後，這個共同祖先不斷地繁衍後代，並且一邊繁衍一邊分化（最基礎的分化方式就是二叉分開），儘管可能有一些支系在歷史的長河中滅絕了，但是也有很多倖存下來，如圖中虛線上方的部分。

在不斷分化的過程中，生物的特徵也會發生變化。圖中的白色、黃色和紅色圓點就代表按照傳統劃分的結果——僅僅把所有開紅色花的植物歸在一起，或者把所有1米9的人歸在一起，顯然不對。

因此，有了系統樹（演化樹）的概念，科學界才能定義「自然」的生物類群——就是由同一個共同祖先演化出的所有後代的總和。如此，我們才能夠真正揭示出現在地球上這些千姿百態的生物實際的演化關係。

追求自然的分類，說起來輕巧，實際做起來也沒那麼容易。直到最近幾十年，我們掌握了分子生物學的方法（測DNA、RNA序列，然後進行對比），才終於能夠比較準確地復原真實的演化關係。之後，很多傳統的分類都被推翻了。

我從去年開始，參與了江西農業大學李波老師主持的一項植物分類研究，在今年發表了有花植物的一個新科——美麗桐科，以分子研究為主要證據。傳統上，它和泡桐都歸到一個很大的玄參科，後來有些比較新的分類系統把這兩個屬（泡桐屬和美麗桐屬）獨立出去成為泡桐科。我們通過DNA序列比對，掌握了比較全面的證據，表明美麗桐屬不能和泡桐屬放在一起，必須成立它自己的科。

這些都屬於美麗桐科，生長在我國西南部、南亞和東南亞。我們測序比對後發現，它的演化關係如下——

從圖中可以看出，玄參科很早就分出來了。這一堆植物最後分成兩大支，美麗桐和泡桐都屬於LMPO支。但是，美麗桐屬和泡桐屬的位置並不近，因此我們主張把美麗桐屬獨立成科。這是中國人發表的被子植物的第六個科，我也給植物研究做出了一點微小的貢獻。

接下來，利用同樣的方法，可以進一步去梳理整個生物演化過程。植物真的可以用「不能動」和「光合作用」兩個簡單的人為特徵概括嗎？事實告訴你：絕對不是這樣，演化過程遠比想像中更為複雜和有趣。

根據我所總結的一直到去年年底為止的文獻資料，地球的生物從最早的共同祖先開始，首先演化分化出了細菌域和古菌域。在細菌域裡面，值得一提的是藍藻：它能夠進行光合作用，但實際上跟細菌更為接近，所以也被稱為藍細菌。

後來，古菌域里湧現出了具有真正細胞核的真核生物。不過，它到底是怎麼出現的，到現在還有爭議。但不論怎樣，真核生物自出現就經歷了一個相當複雜的演化。根據我們今天建立的演化樹，真核生物早期分化出的類群，你可能聽名字都覺得陌生——之前好多都沒有中文名，是我今年才擬定的。

後來又有一支，先後分出來變溝蟲、變形蟲、早別蟲和無足蟲，接著又演化出兩類非常重要的生物，泛真菌和泛動物。顧名思義，泛真菌就是以真菌為主的一個類群（如木耳、蘑菇），泛動物就是以動物為主的類群（如人類）。所以，其實是一個非常顛覆性的發現。

以前人們老覺得蘑菇、木耳不能動，應該是植物；但是現在看分子結果，發現其實它跟動物更接近。但是也挺好理解，吃蘑菇和木耳的時候，你覺得是更像肉還是菜？用這樣的一個辦法可以記住它。

真核生物在很早的時候，還分化出一支非常重要的類群，多貌生物。略去一些比較小的家系，多貌生物主要分成兩支。其中的一支的祖先（當時還是異養的單細胞生物），在大約16億年前發生了一個非常重要的事件：它吞了一個能進行光合作用的藍菌，但並沒有把它消化掉，而是在體內養了起來。然後它們就形成了一個互惠共生的關係——藍菌通過光合作用製造養分供給真核細胞，真核細胞為藍菌提供安全的生活環境。如此，演化出了紅藻、灰藻、綠色植物、隱藻等類群。

久而久之，吞下去的藍菌變成了葉綠體，整個共生體變成了植物。這也是今天國際上比較主流的植物定義。

那麼，其他那些可以進行光合作用的生物又是怎麼來的呢？

大家有沒有想過，既然植物的祖先可以吞掉藍藻而不消化它，那同樣的事情可以反覆發生。即便是某一支丟掉了葉綠體，它也可以再吞一個紅藻細胞形成第二次內共生，就又恢復了光合作用的能力。

不僅如此，多貌生物的另外一支有一類茸囊生物，根據我們今天的研究發現，它是通過吞下隱藻，連環相吞（已經是第三次了）獲得了葉綠體。獲得了光合作用的能力後，茸囊生物就分化成了囊泡蟲和茸鞭生物兩大類。

先來看囊泡蟲。它雖然獲得了葉綠體，但是好像不太珍惜，所以後來它的有些支系把葉綠體丟掉了。比如，囊泡蟲首先分化出一支纖毛蟲，其中最有名的代表生物就是草履蟲。我們老說一個人的頭腦太簡單就像草履蟲一樣，但是你不知道，人家非常有反叛精神——我祖先有葉綠體，可以進行光合作用，我就不要了，我還過我自由的生活。

後來這一支又分出頂質體類，演化出一些非常臭名昭著的寄生蟲，比如能夠在人、貓、狗之間感染的弓形蟲，以及熱帶著名傳染病瘧疾的病原體瘧原蟲。它們也是丟掉葉綠體的一類。

當然也有繼續保留光合作用的生物，渦鞭毛蟲（甲藻），它們大多是海洋里的浮游生物，但是繁殖過多會形成赤潮，造成危害。

茸鞭生物也有類似的情況，有些支系（比如卵菌）把光合作用能力丟掉了，後來也變成寄生蟲了。比如讓金魚長白毛的水霉和讓馬鈴薯全部毀滅的疫霉。

接下來，又演化出來一支同樣丟掉光合作用能力的吸硅菌，它是一個可怕的殺手——能夠像吸管一樣把它的一部分細胞伸出來，插到硅藻的細胞裡面，然後把硅藻細胞的內容物全部吸到自己體內消化。

當然，也有繼續保留光合作用能力的，演化出一大群黃色藻類，包括硅藻、金藻、黃藻、褐藻等。我們說的海帶，其實是屬於褐藻的一種。

所以，現在你可能會明白為什麼海帶不是植物了。儘管它不能動，也能進行光合作用，但是我們通過分子的方法發現它的祖先很早就跟植物分開了——這就是利用分子方法構建的演化樹所為我們揭示的最新生物演化的圖景。

或許你會問：搞這麼複雜，有什麼用嗎？如果你想知道一個特別實際的用處，我還真能找出來一些。

我們都知道，瘧疾是一種非常厲害的熱帶傳染病，屠呦呦先生就是因為找到了治療瘧疾的青蒿素獲得了2015年的諾貝爾生理學或者醫學獎。但是目前，瘧原蟲又開始對青蒿素類藥物產生抗藥性，這就要求我們必須再去尋找新的藥物。

剛才我們說過的瘧原蟲，它是一種丟掉了光合作用能力的囊泡蟲。其實它體內的葉綠體還在，只不過沒有葉綠素了，取而代之的是一種叫做頂質體的結構，在它的生理過程中發揮著重要作用。

有人就根據演化關係指出，是否可以針對瘧原蟲殘餘的葉綠體（也就是頂質體），以此為靶點開發出新型抗菌藥物呢？很顯然，這是一個非常有潛力的方向。所以，分類學的研究成果還真能為醫藥等生產生活提供實際的指導方向。

但我想說的是，我們做生物分類，更主要不是為了追求非常實際的用途，而是希望了解生物演化本身——希望能夠揭示自然的奧妙，知道生物是怎麼來的，從而知道人類在世界中的位置。

有一位非常有名的演化生物學家多布然斯基就說了一句非常好的話：「若無演化之光，則生物學的一切都無意義」。我們正是因為有了演化論，有了在其基礎上構建的一系列方法，才能夠把生物的演化探究得如此詳盡。

我覺得這些知識本身就是美好的，所以我願意把它分享給大家。謝謝大家！

演講嘉賓劉夙：《為什麼會光合作用的海帶不是植物？》

作者：劉夙

編輯：麥芽楊、凝音

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