沙漠竟然也会得ldquo皮肤病rd
“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。”
张元明
中国科学院新疆生态与地理研究所研究员
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？
塔克拉玛干沙漠
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。
古尔班通古特沙漠
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。
博格达山
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。
在沙漠采集标本
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。
沙漠的苔藓植物
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。
遇水后由“黑”变“绿”
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？
、对比照
这两张照片拍摄自同一地点，左边的照片拍摄于年，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。
思想晚餐
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什么是沙漠皮肤
沙漠“皮肤”众生相
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。
拥有某种结构的沙漠“皮肤”
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。
实验室镜头下的沙漠“皮肤”
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。
电子显微镜镜头下的沙漠“皮肤”
我们把这个薄层放在电子显微镜下观察。放大倍后，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。
光学显微镜镜头下的沙漠“皮肤”
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。
左：人体皮肤右：沙漠“皮肤”
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.
“沙漠皮肤”中比较简单的生物
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。
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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”。
自带“防晒霜”的植物
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。精细纳米结构吸收水分
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《NaturePlants》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。
冬季的北疆古尔班通古特沙漠
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
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