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茶、咖啡和可可,三种无关的植物,为何都独立进化出了咖啡因?

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茶、咖啡和可可,这三种饮品都有同一种功效,就是提神,而它们提神的能力全部源自于一种相同的物质,就是咖啡因。

那么,这三种植物有没有什么亲缘关系呢?完全没有。茶属于山茶科,咖啡属于茜草科,而可可则属于梧桐科。如果对植物不太熟悉,或许并不知道这三种分属不同科的植物到底有多大差别,我们可以举一个例子,如果是在动物界,就相当于你家的猫和鱼缸里鱼的关系差不多。亲缘关系如此遥远,却都在漫长的演化之路上产生出了相同的物质,这是不是太过巧合了?



只从表面上来看,的确有些太过巧合,但如果深挖其演化过程,就会发现这三种植物中的咖啡因其实是通过不同方式产生的。

2014年《科学》杂志上发表了一项研究,该研究显示三种植物的咖啡因合成酶其实是各自独立演化出来的。其中茶树和可可树合成咖啡因的关键基因虽然是同源的,但却各自经历了独自改造,而咖啡树则是使用完全不同的基因组合成出了咖啡因。三种植物不仅在亲缘关系上非常远,所处的地域同样也相隔遥远。



茶树长在中国云南的山中,咖啡树矗立在埃塞俄比亚高原,而可可树则长在亚马孙雨林之中。

三种亲缘关系遥远、所处环境各异的植物,拼尽全力也要演化出相同的物质,当然是有原因的,因为咖啡因是一种十分有力的自我保护。咖啡因对于我们而言,能够提神醒脑,但对于昆虫来说就是一种神经毒剂,能够使昆虫的神经系统瘫痪。咖啡豆的主要虫害就是小蠹虫,当小蠹虫接触了含有高浓度咖啡因的咖啡果时,死亡率可以达到80%以上。



类似的现象也出现在茶树上。

当毛虫啃食的茶树叶片咖啡因浓度较高时,咬上两口就会转头逃跑,而且爬行的方式还会变得晃晃悠悠,好像喝醉了一般,这其实就是咖啡因影响到了毛虫的神经系统。既然咖啡因这么厉害,为什么茶树、咖啡树和可可树上还是会有虫子出现呢?因为自然界从来都是一场没有休止的“军备竞赛”,植物可以进化出咖啡因,昆虫一样也可以通过进化来对抗咖啡因。以烟草天蛾幼虫为例,它就进化出了细胞色素P450酶,这种酶可以分解咖啡因,消除毒性。



咖啡因是一种多功能的“毒剂”,不仅可以用来毒杀害虫,还可以用来毒杀“害草”。

在咖啡树的种植区域,即便不进行人工除草,周围土壤里的杂草也很少,这是因为枯落的咖啡树叶会将咖啡因释放到土壤里,抑制周围植物幼苗的生长,这样一来就能避免其它植物与自己争夺营养了,可以说是一种天然的除草剂。其实要说起来,植物合成咖啡因并不十分困难,咖啡因的本质是一种生物碱,而所有生物碱的合成起点都是嘌呤分子,而黄嘌呤只需要经过三步甲基化就可以变身为咖啡因了。



既然合成过程不算复杂,为什么其他植物没有呢?

事实上咖啡因很多植物都有,比如我们熟悉的柳树、银杏都含有微量的咖啡因,只不过这些植物的咖啡因并没有被大量富集于某一个植物器官上,比如茶树的嫩叶、咖啡树的种子和可可树的果肉。咖啡因虽然能够提神,但效果也是因人而异,而导致差异的同样也是基因,比如携带SLC6A4基因变体的人,只需要一点点咖啡因就能够产生超强的愉悦感,而拥有特定POR和ABCG2基因变体的人,就算喝上三四倍浓缩咖啡,也没有什么感觉。

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