那么，植物怎樣看世界？植物的“眼睛” 又在哪兒呢？現(xiàn)在我們知道，植物能夠“看”東西 。很多植物在“看到”太陽升起或落山時(shí)，都會(huì)動(dòng)一下，如向日葵，它從早晨到晚上一直轉(zhuǎn)動(dòng)著看著太陽，晚上之后又回到原點(diǎn)，然后又反復(fù)循環(huán) 。2016年，《科學(xué)》發(fā)表一篇文章，從基因表達(dá)、晝夜溫差等方面對(duì)向日葵的這種趨光現(xiàn)象作了一些解釋[2] 。植物的趨光性也可采用簡單實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，在一些植物兩側(cè)分別放置一個(gè)燈泡，哪邊的燈開植物就向哪邊生長，而且所有植物的表現(xiàn)就像軍訓(xùn)一樣，行動(dòng)一致，非常整齊 ?？吹竭@一現(xiàn)象后，我們需要設(shè)想：究竟是植物哪個(gè)地方看到了光?光的信號(hào)又是怎樣傳到拐彎的地方，怎樣實(shí)現(xiàn)拐彎生長呢？其實(shí)，早在1880 年，達(dá)爾文父子進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)后，就在《植物的運(yùn)動(dòng)》這本書里詳細(xì)地記錄了植物的趨光性 。他們利用趨光性表現(xiàn)最為明顯的植物幼苗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，那個(gè)時(shí)候沒有任何科學(xué)儀器，他們就在自己家做實(shí)驗(yàn) 。他們先假設(shè)幼苗頂部是感光的部位 。果然，將頂部去掉后，幼苗確實(shí)不向光彎曲了 。接著，他們用一個(gè)黑色的罩子套住頂部將光擋住，結(jié)果幼苗頂部看不到光后，它也不彎曲生長了 。但這是不是由于罩子的壓力太大了的原因呢？于是他們用一個(gè)與黑色罩子同等重量但允許光投射進(jìn)去的透明罩子套住幼苗頂部，結(jié)果植物又彎曲了 。這些實(shí)驗(yàn)?zāi)苷f明什么呢？這說明幼苗的向光性是通過它的頂端感受光線產(chǎn)生的，幼苗的頂部(準(zhǔn)確地說是幼苗的莖尖)就是植物的“眼睛” 。那么，幼苗頂部感受光后是怎么將信號(hào)傳遞下去后又如何導(dǎo)致莖的拐彎生長？原來這是通過不同的生長速度來實(shí)現(xiàn)的，也就是幼苗的莖靠近光的一側(cè)長得慢一些，而背光的那側(cè)長得快一些，這樣莖就向光的方向彎過去了 。也就是說植物感光以后要導(dǎo)致莖橫向兩邊的細(xì)胞生長速度不同 。這些問題清晰以后，就可以深入地研究相關(guān)機(jī)理了 。達(dá)爾文發(fā)現(xiàn)植物感光后有一種物質(zhì)從幼苗頂端運(yùn)送到了莖，從而導(dǎo)致莖的彎曲生長，他把這種物質(zhì)稱為“植物生長物質(zhì)”，即后來的生長素，是植物中第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的激素 。達(dá)爾文雖然知道這種物質(zhì)的重要性，但當(dāng)時(shí)并不清楚其化學(xué)本質(zhì) 。關(guān)于這種生長物質(zhì)究竟是什么，是到了50年后才有人將其研究清楚的 。另外，達(dá)爾文父子雖然發(fā)現(xiàn)了感光部位，但并沒有進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)證明是什么顏色的光，使植物看到后就可以拐彎生長 。由于燈泡、太陽光都是混合的光，如果能想方設(shè)法把其他光濾掉而只允許某一種顏色的光照射進(jìn)來就可解答了 。然而，這在130多年前是很難實(shí)現(xiàn)的 。后來，通過采用一種比較原始簡單的方法去依次嘗試，如透過硫酸銅溶液的光即藍(lán)光，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)藍(lán)光是導(dǎo)致植物向光性的主要的光 。那么，植物體內(nèi)一定存在可以感受藍(lán)光的光受體 。從1887年開始到2000年，經(jīng)過100 多年的時(shí)間，植物的第一個(gè)藍(lán)光受體才被科學(xué)家分離出來 。
8 光敏色素的發(fā)現(xiàn)揭示了植物的光周期
植物不但可以感知光的強(qiáng)度、顏色，并且能夠感知光的晝夜周期，植物的晝夜周期在植物的光生物學(xué)里面是一個(gè)重大發(fā)現(xiàn)，促成植物紅光受體(光敏色素)的發(fā)現(xiàn) 。光敏色素發(fā)現(xiàn)的故事可追溯到100多年前 。1906年，人們在美國的馬里蘭州發(fā)現(xiàn)了一些煙草突變株，稱為“馬里蘭猛犸象(Maryland Mammoth)”(圖3) 。這些突變株長得非常大，一般煙草只長20多片葉子，而這個(gè)突變株長了100多片葉子，這對(duì)于想增加煙葉產(chǎn)量的煙農(nóng)來說是夢寐以求的 。
然而讓他們失望的是，這些突變株直到馬里蘭寒冷的霜凍來臨依然很少開花結(jié)種，這有什么辦法解決呢？當(dāng)時(shí)，農(nóng)民們還有另外一個(gè)問題，就是農(nóng)民收獲大豆集中在一周時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度太大，能否分批種植大豆，進(jìn)而可以分批次收獲大豆呢？然而結(jié)果卻不如人們所愿，無論什么時(shí)候種植大豆，大豆都是在同一時(shí)間成熟 。由此說明，開花結(jié)果不是說需要生長多長時(shí)間，而是與季節(jié)有關(guān) 。又怎么解決呢？當(dāng)時(shí)美國農(nóng)業(yè)部研究人員Garner和Allard接受了這個(gè)任務(wù)，并對(duì)此展開研究 。他們整整研究了10年，但一無所獲 。他們從營養(yǎng)、不同化學(xué)成分、溫度、光、濕度等不同方面進(jìn)行了嘗試，都沒有找到答案 。在幾近放棄該項(xiàng)研究時(shí)，1918年年初，他們做了最后的嘗試，即測量日照長短對(duì)植物生長開花的影響，那之前從未有過此類報(bào)道，他們做這個(gè)最后的嘗試只是因?yàn)橹皇Ｏ麓隧?xiàng)因素沒有研究了 。結(jié)果，做了此項(xiàng)研究后，他們就成為了舉世聞名的科學(xué)家 。他們做的實(shí)驗(yàn)非常簡單，就是種植一批大豆，在開花前，每天將一半的大豆搬進(jìn)一個(gè)避光的小木屋里，相當(dāng)于把這批植物日照縮短、黑夜增長，另一批留在外邊地里作為對(duì)照，以觀察晝夜長度的變化是否對(duì)植物開花有影響 。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，日照時(shí)間縮短后對(duì)大豆的開花影響非常大，黑屋里的實(shí)驗(yàn)組大豆已開花結(jié)果很久，而室外對(duì)照組大豆還沒開花[4](圖4) 。這是科學(xué)界的重大發(fā)現(xiàn)，即光周期現(xiàn)象 。雖然這項(xiàng)研究沒有拿到諾貝爾獎(jiǎng)，但其影響力毫不遜色 。
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