《谁在操纵植物的生长方向》
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植物对周围环境的反应,最奇妙的莫过于它的生长方向.比如向日葵的花朵总是随着太阳转,又如一粒小小的植物种子,从萌发开始,它就知道根部应该往地下生长,而茎干则要伸向天空.这是一种极普通的现象,可植物为什么这样生长?要回答这个问题还真不容易呢.
向日葵,是人人熟悉的植物.清晨,当太阳从东方升起时,它的花朵会自然而然地迎着东升的旭日;当日落西山时,它的花朵又会转向西方,仿佛在欢送太阳离去.
早在100多年以前,英国著名生物学家达尔文,就对向日葵的花朵随着太阳转的现象产生了兴趣.他很想知道其中的秘密,便做了一系列实验,其中有个实验很简单,但很能说明问题.
达尔文在房间里培育了一些花草,当幼苗从盆中破土而出后,它们都朝着透光的窗子那边倾斜.很显然,光线与植物的生长方向大有关系.达尔文感到很奇怪,植物的向阳生长究竟受什么控制?
根据直觉,这种奇怪的东西可能在植株顶芽附近.于是,达尔文把幼苗的顶芽削去一块,结果情况完全变了,幼苗虽然还朝上长,但再也不会弯向太阳光的方向了.这个实验使达尔文相信,在幼苗的顶端,肯定有一种神奇的物质在操纵植物的生长方向.很可惜,在当时的研究条件下,还没发现这种物质,达尔文就与世长辞了.
关于植物生长方向的研究,却一直都没有停止,其他科学家仍在探索其中的奥秘.直到1926年,人们终于找到了这种神奇的物质.
发现者是美国植物生理学家温特.他做了这样一个实验,就是让植物的胚芽鞘一面接受光照,另一面对着无光的黑暗处,结果,胚芽鞘渐渐朝有光的方向弯曲.温特对胚芽鞘进行了特别处理,从中分离出一种新奇的化合物,取名为植物生长素.
生长素最大的作用是指挥植物生长.它在植物体中,根据所处环境条件的不同,如不同的光线、不同的温度和湿度、不同的地点等,及时“发布”命令,决定植物的各个器官应该怎样生长,或者生长到什么程度最适宜.
由于生长素对光的反应很敏感,当胚芽鞘受到光照时,它就聚集到阴面那一侧.这样,生长素的增多和积累,就使阴面部分的生长大大加快,受光部分则由于缺少生长素而生长缓慢,结果导致弯曲发生.温特断言,植物茎或叶片的弯曲,完全是由生长素在组织内的不对称分布造成的.
植物的向光性生长是由生长素控制的,那么,它又是怎样区分“上”和“下”的呢?又是什么力量促使它选择根朝下、茎朝上的生长方式的呢?科学家首先想到的是重力,他们认为,地球的引力肯定是影响植物生长方向的重要原因.
人们开始在宇宙空间站栽培植物,看看植物是否还能区分“上”和“下”.从理论上说,在太空失重的环境下,再加上一天24小时都有充足的光照,植物生长的条件比地球上优越得多.科学家期望,空间站能结出红枣一样大小的麦粒、西瓜一般大的茄子和辣椒.但最初的实验结果实在糟透了.
那是1975年,在苏联“礼炮4”号宇宙飞船上,航天员播下小麦种子后,一开始情况良好,小麦出芽比在地球上快得多,仅仅15天,就长到30厘米长,虽然是不懂“上下”、没有方向和目标地乱长,但终究是一个可喜现象.可是在这以后,情况越来越不妙,小麦不仅没抽穗结实,茎和叶子反而渐渐枯黄,显示出快要死亡的症状.
很显然,给植物生长带来麻烦的主要是失重.为什么植物对重力这么依赖呢?按照温特的生长素理论可以这样解释：长期生活在地球上的植物,形成了一种独特的生理现象,当它受到重力刺激时,在植物组织下部的生长素含量会大大增加,于是就使植物的根朝下生长,茎则朝上生长.一旦失去了重力,生长素便无法汇集到合适的部位,使幼茎找不到正确的生长方向,只能杂乱无章地向四下伸展,最終导致死亡.
如果解决了失重问题,是不是能使生长素回归到合适的位置呢?科学家决定进行更深入的实验.
要解决失重问题,最直接的方法是建立人工重力场,但是要在小小的空间站实施这个办法,实在很难行得通.这时,有个名叫拉西克夫的苏联生理学家提出一种观点,他说：“电对整个生物界起着巨大的作用.在地球表面,植物每时每刻都通过茎和叶,向大气发射一定量的电子流.这对植物营养成分和水的供应会产生很大的影响.另外,地球上的土壤和植物之间,存在着明显的电位差,有利于植物从土壤中吸收营养.在失重情况下,植物与土壤之间没有了电位差,也就不再向空中发射电子流,所以就难以生存了.”
根据这种观点,科学家设计了一种回转器,将葱头栽在回转器上,每两秒改变一次方向,也就是在两秒内,将植物从正常状态（绿叶朝上）转到反方向（绿叶朝下）.这就相当于在失重状态下,植物没有了“上”和“下”之分.回转器上的两个葱头,一个被通上电源,受到一定的电压刺激,另一个则不通电源.结果,那个没接通电源的葱头,到了第四天叶子便开始向四处分散生长;又过了两天,叶子开始枯黄萎缩,趋向于死亡.而另一个受到电刺激的葱头,恰恰与它的伙伴相反,就像长在菜田中一样,绿油油的,挺拔而粗壮.
后来,科学家将这两个葱头调换,不到一星期,奇迹发生了.那个快要死去的葱头,脱去了枯萎的叶片,重新长出新鲜绿叶;而原先充满生机的葱头,因为失去了电刺激,很快停止了生长,叶梢变得枯黄卷曲.
电刺激实验的成功,不仅给航天员带来福音,使他们能吃到新鲜的蔬菜瓜果,同时也使科学家对植物生长方向受谁控制的问题,有了更深刻的了解.
正当大家都把注意力集中在植物生长素身上时,美国俄亥俄州州立大学的植物学家迈克·埃文斯,提出了一个崭新的理论.他认为,无机钙对植物的生长方向起着举足轻重的作用.因为他在研究中发现,植物在弯曲生长过程中,无论是根冠下侧部位,还是芽的上侧部位,都存在大量的无机钙.那么,无机钙又是如何帮助植物辨别方向的呢?
埃文斯解释说,因为根冠内有极为丰富的含淀粉体的细胞,而淀粉体是一种贮存大量无机钙的场所,在重力的作用下,淀粉体会把内部的钙送到根冠下侧.这时,如果用特殊的实验手段去阻止钙的移动,植物马上会表现出不正常的生长方式.同样,植物的芽虽然没有冠部,但也含有丰富的淀粉体,淀粉体也能将内部的钙送到上侧细胞中.由于细胞的上端和下端之间有不同的电荷,两端电荷的不一致引起细胞极化.结果,大量被极化的细胞排列在一起,总电荷就很强,足以吸引任何相反电荷的钙离子,驱使它们在体内移动,引导植物的茎干总是向上生长,根朝下生长.
到底是谁控制着植物的生长方向?这种神奇的力量取决于什么,是植物生长素还是无机钙?或者是兼而有之?目前这依然是一个有待探索的谜.
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