揭開植物睡眠之謎

吳　凡

含羞草或合歡草等豆科植物白天打開葉子，傍晚它們又閉上葉子“睡覺”，這種由葉子的開閉引起的植物“睡眠運動”自古以來就受到人們關注。最早的記錄可追溯到公元前4世紀留下的亞歷山大大帝命令部下調查“植物何以睡眠”的記錄。到了18世紀，法國的生物學家發現，即使將含羞草置于光射不進去的洞穴中，幾天之中它仍持續以24小時為周期開閉葉片，也就是說它不受光等外部環境的影響，這說明在它體內存在周期性運動的“生物鐘”。達爾文是最早對植物運動進行系統觀察研究的科學家。他晚年被植物的多樣性吸引，與兒子弗朗西斯一起仔細觀察了300多種植物，在他去世前兩年寫了一本有關植物的睡眠運動、彎曲及旋轉攀爬運動的巨著《植物的運動》，該書已成為經典名著。

葉片開閉機制

現在，科學家通過顯微鏡觀察已經知道，植物的睡眠運動是由葉柄上一種叫做“運動細胞”的特殊細胞膨脹或收縮引起的。運動細胞吸水漲大后葉片就張開，運動細胞排出水縮小后葉子就會閉合。

調節這種運動細胞的體積變化是在細胞膜的“鉀通道”——根據生物鐘按一定的時間周期開閉鉀離子通道，伴隨著鉀離子從通道的出入，水或是進入細胞內或是跑出細胞外。其實，從20世紀初，許多研究者就考慮到存在控制這種葉片運動的生物物質，并嘗試進行分離，但最終沒有取得成功。

20世紀80年代，德國一名科學家在報告中稱發現一種名叫“太酷靈”的有機化合物，是控制葉片開閉運動的新的“植物激素”。這個報告引起全世界的關注，并把它與當時著名的植物生長激素“茁長素”或赤霉素并列為重大發現。

與此同時，有些科學家也提出了異議，認為“太酷靈”分子內有顯示強酸性的硫酸基，難以設想在中性植物體內有那樣的強酸性物質以游離態存在。事實上，最近的研究也顯示“太酷靈”對葉片開閉幾乎不起任何激活作用。

另一方面，從顯示使葉子閉合的活性來說，專家認為“太酷靈”的活性與有機分子主題無關，僅是由其分子內硫酸基的酸刺激引起的。研究表明，當時德國科學家在分離過程中誤把酸性當作激活條件，結果丟失了真正的生理活性物質。為此，專家在中性的條件下對真正的生理活性物質進行分離。

控制植物運動的物質各不相同

目前，科學家通過從植物提取的幾千種化合物中萃取生理活性物質的分離實驗，最終成功地分離出兩種生理活性物質，并確定了它們的分子結構。一種是讓植物葉片閉合的“睡眠物質”，另一種是讓植物葉片張開的“覺醒物質”。植物的睡眠運動就是由這兩種性質相反的物質控制的。

由于事前誰也沒有料到生理活性物質會是兩個種類，為此在分離過程中不知不覺使它們之間相互否定，沒能很快發現生理活性物質。后來開發了正確區分睡眠物質與覺醒物質的方法，才獲得成功。這種分離法研究了10年之久，它從十幾千克的物質中最終分離出的生理活性物質僅僅幾毫克。

迄今為止，科學家已經從含羞草、決明屬、葉下珠屬、鐵掃帚、合歡屬5種豆科植物中各自成對地分離出了“睡眠物質”與“覺醒物質”。每種植物的這些活性物質對于其他植物完全不起作用。例如即使將合歡屬的“睡眠”或“覺醒”物質以10萬倍的濃度作用于含羞草，也完全沒有效果。

這說明每種植物的生理活性物質都不一樣。這一發現推翻了控制所有植物運動的生理活性物質都是相同的假說。

另一方面，我們知道頂合歡、緬甸合歡、歐洲合歡分類上屬于同一屬的植物，故具有共同的生理活性物質。這樣，控制睡眠運動的生理活性物質因所屬而不一樣，這說明睡眠運動這種現象是在進化中的某階段獲得的。

睡眠物質結構

那么，生物鐘是怎樣控制植物“睡眠運動”的呢?通過對葉下珠每隔4小時采集、萃取，測定其體內的生理活性物質的濃度變化，結果發現，“覺醒物質”的濃度幾乎全天恒定，而“睡眠物質”的濃度卻是白天減少，夜間增加。由此通過測定覺醒物質與睡眠物質的濃度平衡與否的變化，可以確定葉片是閉合還是張開。

專家通過實驗，還了解到睡眠物質的濃度變化起因于化學反應，并且徹底查明了葉下珠的睡眠物質由所謂配糖物組成。配糖物是由葡萄糖與總稱為配質(糖苷中的非糖物)結合的化合物。

白晝，因為配糖物的葡萄糖被水分分解成非糖物，所以睡眠物質濃度減小而葉片張開。一到夜里，葡萄糖再度與非糖物結合使睡眠物質激活，所以葉片閉合。即通過葡萄糖與非糖物粘合或分離，起到了葉片開閉運動的開關作用。專家認為這個開關由“β—葡萄糖苷酶”控制。

另一方面，鐵掃帚的情形與葉下珠的情形正相反，張開葉片的覺醒物質組成配糖物的結構，一旦到閉合葉片的傍晚。覺醒物質被水分解為非糖物，推動了活性，其結果是睡眠物質的濃度相對提高，葉片閉合。

揭開生物鐘之謎

從以上結果，我們能夠將由生物鐘控制的睡眠運動調節機制歸納如下，即睡眠物質與覺醒物質都是糖苷結合在配基(非糖物)上的配糖物。一到某個特定的時間，生物鐘讓β—葡萄糖苷酶激活加水分解配糖物，結果兩活性物質間的濃度平衡發生變化引起睡眠運動。再者，專家通過帶熒光色素的生理活性物質實驗，獲知生理活性物質直接作用于植物葉枕部分的運動細胞。專家認為各植物的運動細胞膜僅對所屬的生理活性物質存在受容器。這也說明，不是該植物的生理活性物質，由于沒有所屬的受容器，所以不起作用。

讓豆科植物“失眠”

那么，豆科植物究竟為什么要睡眠呢?達爾文在《植物的運動》一書中稱，是“為了保護身體免受夜間低溫的侵襲，采用閉上葉片的睡眠的方法”。20世紀70年代生物鐘理論權威則認為，是為了防止因月光引起生物鐘的復位。

不管植物“睡眠”是為了躲避夜間的低溫還是夜間明亮的月光，這些說法都缺乏實驗上的科學依據，也就是說人們一直不能制造出不“睡眠”即不閉合葉片的豆科植物。現在科學家終于可以讓植物不“睡覺”了。他們合成了一種阻礙鐵掃帚“睡眠”的物質，將這種物質作用于一株鐵掃帚，果然它的葉片就張開了。這種植物由此患上了“失眠癥”，葉片一直張開著。由于不睡覺，結果這株植物受到了傷害，兩周后完全枯萎。這一實驗也證明了“睡眠運動”是植物生存不可或缺的生命現象。

環境和諧型農藥

通過豆科植物不睡眠就枯死的事實，以及生理活性物質每種植物都不一樣，所以專家認為可以利用植物本來的生物現象開發出環境和諧型農藥。例如，現在市場上出售的除草劑還達不到對豆科植物無害，僅使豆科的雜草枯死，而所謂睡眠運動阻斷劑，就是僅使特定的植物患上失眠癥枯死。

在美國廣闊的大豆地里，使用的是“儂多枯”除草劑，但是“儂多枯”對美國角合歡這樣豆科的雜草不起作用。對此，科學家從生長在日本的同屬角合歡取出生理活性物質，合成可導致角合歡失眠癥的睡眠運動阻斷劑，并將此投放到角合歡上，可以看到第三天就完全枯死。并且這種除草劑的使用對大豆莊稼的生長完全沒有影響。另外，如果延長植物睡眠時間，其水分的蒸發將減少，那么，或許將來能夠開發出有一定抗旱能力的莊稼。

責任編輯：蒲暉