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[九月份] 2018年物种日历 9月23日 硅藻

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发表于 2018-10-9 10:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
自盘古开天辟地以来……(不好意思,拿错剧本了)
在遥远的侏罗纪,一亿五千万年前,硅藻与恐龙共同生存在地球上。它们把周围的硅酸占为己有,构建它们坚硬多孔的硅质保护壳。死去之后,那些难朽的躯壳大片大片沉入大海,经亿万年的时光堆积成土,竟也能为人类所用。
虽然用途广泛,硅藻土看上去也不过就是白色土块,平平无奇,但如果你把硅藻放在显微镜下的话,新世界的大门就此打开:

显微镜下的硅藻标本。图片:Klaus Kemp
显微镜下的异世界
硅藻个体非常小,一般只有2微米到200微米,最大的圆筛盘藻属(Coscinodiscus)种类直径也不过半毫米,肉眼显然没法看真切,因此在18世纪之前,人类从来没有注意过它们的存在。
第一个在显微镜下观察到硅藻的人很有可能是荷兰人列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek),他自制的光学显微镜具有观察硅藻的能力,他观察过的样本中也肯定有硅藻存在。然而可惜的是,他发表过的所有插画中没有任何一幅可以肯定是来自硅藻。

列文虎克简易显微镜的复制品。图片:Wellcome Images / wiki commons
真正可以确定的最早的硅藻观察记录,出自伦敦皇家学会在1703年收到的一篇稿件。作者姓名已不可考,但在文章插画中,我们可以清晰地看到一种淡水硅藻:平板藻(Tabellaria sp.)的身影。

最早的硅藻插画(左)和现实中的平板藻(右)。左图:Anonymous (1703). Philos. Trans. R. Soc. London. 23(288): 1494;右图:EQAT Phytoplankton
硅藻最早的科学记录是100多年之后。1846年,荷兰植物学家范登博世(R. B. van den Bosch)在他出版的泽兰省藻类名录中收录了硅藻。而真正让大家见识到硅藻之美的,还是恩斯特·海克尔(Ernst Haeckel)在1904年出版的《自然界的艺术形态》——当然,与此同时,让大家见识到的也有很多其他奇奇怪怪物种的美丽。

图片:《自然界的艺术形态》 (1904),Ernst Haeckel

图片:《自然界的艺术形态》 (1904),Ernst Haeckel
是动物还是植物?
一经发现,人们就在为硅藻到底是动物还是植物而争论不休。
它曾被认为是种像草履虫那样的单细胞动物,然后又因为能够进行光合作用,被分到了植物一边——它们甚至还有细胞壁!

显微镜下的海生硅藻。图片:NOAA / wiki commons
然而,真核生物远非动植物两分就可以简单解决的,尤其是显微镜发明之后,那些微小的单细胞生物如何分类难坏了生物学家。研究得越多,就越会发现这些小东西的多样性、复杂程度都远超之前的想象。

圆筛盘藻和甲藻——显微镜下的都是些什么魔鬼。图片:Picturepest
现在,科学界的共识是:硅藻既不是动物,也不是植物,而是不等鞭毛生物中的一支。不等鞭毛生物和囊泡虫、有孔虫组成一个叫做“SAR超类群”的类群。这个类群和包括绿色植物在内的原始色素体细胞生物不在一条分支上,和动物、真菌所在的后鞭毛类生物的关系就更远了。
精美的“玻璃”外壳
硅藻的细胞壁和植物的有着本质的区别,虽然都用果胶作为黏结部分,但是硅藻的细胞壁里没有纤维素, 取而代之的是二氧化硅。这层保护壳质地坚硬,表面多孔却依然“刀枪不入”。有研究者曾尝试用坚硬的针头碾压硅藻,试图将其外壳压碎,但以失败告终。

扫描电镜下的硅藻外壳。图片:Mogana Das Murtey and Patchamuthu Ramasamy / wiki commons
如此坚硬的外壳,可以让它们免受伤害,但是凡事有利就有弊。硅质外壳不能像植物的纤维素质细胞壁那样变形、长大,这也就意味着一出生,硅藻的大小形状就已经基本上决定了。
你可能已经开始担心长这样的硅藻怎样分裂增殖了,其实它们自有良计。硅藻在英文中被称为diatom,源自希腊语,直译过来是“分成两半”的意思。硅藻外壳都是分成两片的,一片大一些一片小一些,二者恰好可以扣起来,就像微生物学实验中常用的培养皿一样。

还原度相当之高。左图:Sunlin Hu and Chao Liu / diatoms.org;右图:CSIRO / wiki commons
硅藻分裂增殖的时候,分生的两个新细胞一人顶着一片旧有的细胞壁,然后它们在对面内侧再分泌产生一块新的,将自己保护起来,物尽所用,非常经济。
然而,这样的策略带来的问题是,每次分裂,就会有一半的后代不可逆地变小一号,几代过后,一些运气差的硅藻,屋子可就小到没法儿住了。这时候,它们就会不再继续分裂,而是突然转为有性繁殖,雌雄配子合体成为复大孢子,重新铸造一个标准尺寸的外壳,继而又重新开始进入下一轮慢慢变小的历程。

硅藻的繁殖。图片:Matt / wiki commons
虽说硅藻是单细胞生物,不过也并不都是独来独往的。它们聚在一起时更像是一个个严守纪律、战术缜密的作战部队,不同的种类有它们自有的阵型:

带状分布的脆杆藻属(Fragilaria)群体。图片:Proyecto Agua

扇状的扇形藻属(Meridion)群体。图片:Detlef Kramer / wiki commons

星形排列的联星硅藻属(Asterionella)群体。图片:nps.gov
维多利亚时代的硅藻艺术
如果说硅藻特殊的结构和排列方式是大自然在微观世界中的精妙杰作,那么维多利亚时代的显微镜工艺师更可以说是巧夺天工。
在维多利亚时代,随着一系列工业技术的蓬勃发展,人们对自然科学的好奇心越来越狂热,开始运用技术展开大胆的奇思妙想。在那个时候,普通中产阶级家庭拥有一台显微镜已经并不稀奇了,人们热衷于收集玻片标本,在这里,硅藻凭实力赶上了第一批显微镜工艺片的热潮。

那个年代的显微镜们。图片:Wellcome Images / wiki commons
大部分的显微镜工艺载玻片在大约1830年到1900年间被制作出来,工艺师用头发把拥有精美又稳定硅质外壳的硅藻挑起,将它们按照想好的图案摆放并调整而成。
如果只看硅藻的载玻片你会发现“什么也没有”,而其实比针尖还小的硅藻正在里面排布了魔法阵,正等着对刚打开显微镜的收藏爱好者施“快带我走”咒(大误)。

各种漂亮的玻片。图片:victorianmicroscopeslides.com
虽然显微镜加玻片标本看上去相当实验室,但这些玻片不论是制作还是观赏过程,显然已经和科学本身没有任何关系了,只是一些爱好者利用硅藻作为原料进行的艺术创作。然而不得不说,这样的创作,对于大众对自然科学的了解有着非常大的帮助。
不信?左右滑动看看下面这组照片吧:







强迫症满足终极vip套餐!图片:california academy of sciences geology
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让岁月凝结成文明,让我遇见你。2018年《物种日历》,一同品鉴文明。

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发表于 2018-10-9 11:30 来自手机 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-10 19:01 来自手机 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-11 09:21 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-12 13:22 来自手机 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-12 21:47 来自手机 | 显示全部楼层
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发表于 2018-10-13 12:59 来自手机 | 显示全部楼层
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