誰在操縱植物的生長方向

裘樹平

植物對周圍環(huán)境的反應(yīng)，最奇妙的莫過于它的生長方向。比如向日葵的花朵總是隨著太陽轉(zhuǎn)，又如一粒小小的植物種子，從萌發(fā)開始，它就知道根部應(yīng)該往地下生長，而莖干則要伸向天空。這是一種極普通的現(xiàn)象，可植物為什么這樣生長？要回答這個問題還真不容易呢。

向日葵，是人人熟悉的植物。清晨，當(dāng)太陽從東方升起時，它的花朵會自然而然地迎著東升的旭日;當(dāng)日落西山時，它的花朵又會轉(zhuǎn)向西方，仿佛在歡送太陽離去。

早在100多年以前，英國著名生物學(xué)家達(dá)爾文，就對向日葵的花朵隨著太陽轉(zhuǎn)的現(xiàn)象產(chǎn)生了興趣。他很想知道其中的秘密，便做了一系列實(shí)驗(yàn)，其中有個實(shí)驗(yàn)很簡單，但很能說明問題。

達(dá)爾文在房間里培育了一些花草，當(dāng)幼苗從盆中破土而出后，它們都朝著透光的窗子那邊傾斜。很顯然，光線與植物的生長方向大有關(guān)系。達(dá)爾文感到很奇怪，植物的向陽生長究竟受什么控制？

根據(jù)直覺，這種奇怪的東西可能在植株頂芽附近。于是，達(dá)爾文把幼苗的頂芽削去一塊，結(jié)果情況完全變了，幼苗雖然還朝上長，但再也不會彎向太陽光的方向了。這個實(shí)驗(yàn)使達(dá)爾文相信，在幼苗的頂端，肯定有一種神奇的物質(zhì)在操縱植物的生長方向。很可惜，在當(dāng)時的研究條件下，還沒發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)，達(dá)爾文就與世長辭了。

關(guān)于植物生長方向的研究，卻一直都沒有停止，其他科學(xué)家仍在探索其中的奧秘。直到1926年，人們終于找到了這種神奇的物質(zhì)。

發(fā)現(xiàn)者是美國植物生理學(xué)家溫特。他做了這樣一個實(shí)驗(yàn)，就是讓植物的胚芽鞘一面接受光照，另一面對著無光的黑暗處，結(jié)果，胚芽鞘漸漸朝有光的方向彎曲。溫特對胚芽鞘進(jìn)行了特別處理，從中分離出一種新奇的化合物，取名為植物生長素。

生長素最大的作用是指揮植物生長。它在植物體中，根據(jù)所處環(huán)境條件的不同，如不同的光線、不同的溫度和濕度、不同的地點(diǎn)等，及時“發(fā)布”命令，決定植物的各個器官應(yīng)該怎樣生長，或者生長到什么程度最適宜。

由于生長素對光的反應(yīng)很敏感，當(dāng)胚芽鞘受到光照時，它就聚集到陰面那一側(cè)。這樣，生長素的增多和積累，就使陰面部分的生長大大加快，受光部分則由于缺少生長素而生長緩慢，結(jié)果導(dǎo)致彎曲發(fā)生。溫特?cái)嘌裕参锴o或葉片的彎曲，完全是由生長素在組織內(nèi)的不對稱分布造成的。

植物的向光性生長是由生長素控制的，那么，它又是怎樣區(qū)分“上”和“下”的呢？又是什么力量促使它選擇根朝下、莖朝上的生長方式的呢？科學(xué)家首先想到的是重力，他們認(rèn)為，地球的引力肯定是影響植物生長方向的重要原因。

人們開始在宇宙空間站栽培植物，看看植物是否還能區(qū)分“上”和“下”。從理論上說，在太空失重的環(huán)境下，再加上一天24小時都有充足的光照，植物生長的條件比地球上優(yōu)越得多。科學(xué)家期望，空間站能結(jié)出紅棗一樣大小的麥粒、西瓜一般大的茄子和辣椒。但最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)在糟透了。

那是1975年，在蘇聯(lián)“禮炮4”號宇宙飛船上，航天員播下小麥種子后，一開始情況良好，小麥出芽比在地球上快得多，僅僅15天，就長到30厘米長，雖然是不懂“上下”、沒有方向和目標(biāo)地亂長，但終究是一個可喜現(xiàn)象。可是在這以后，情況越來越不妙，小麥不僅沒抽穗結(jié)實(shí)，莖和葉子反而漸漸枯黃，顯示出快要死亡的癥狀。

很顯然，給植物生長帶來麻煩的主要是失重。為什么植物對重力這么依賴呢？按照溫特的生長素理論可以這樣解釋：長期生活在地球上的植物，形成了一種獨(dú)特的生理現(xiàn)象，當(dāng)它受到重力刺激時，在植物組織下部的生長素含量會大大增加，于是就使植物的根朝下生長，莖則朝上生長。一旦失去了重力，生長素便無法匯集到合適的部位，使幼莖找不到正確的生長方向，只能雜亂無章地向四下伸展，最終導(dǎo)致死亡。

如果解決了失重問題，是不是能使生長素回歸到合適的位置呢？科學(xué)家決定進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn)。

要解決失重問題，最直接的方法是建立人工重力場，但是要在小小的空間站實(shí)施這個辦法，實(shí)在很難行得通。這時，有個名叫拉西克夫的蘇聯(lián)生理學(xué)家提出一種觀點(diǎn)，他說：“電對整個生物界起著巨大的作用。在地球表面，植物每時每刻都通過莖和葉，向大氣發(fā)射一定量的電子流。這對植物營養(yǎng)成分和水的供應(yīng)會產(chǎn)生很大的影響。另外，地球上的土壤和植物之間，存在著明顯的電位差，有利于植物從土壤中吸收營養(yǎng)。在失重情況下，植物與土壤之間沒有了電位差，也就不再向空中發(fā)射電子流，所以就難以生存了。”

根據(jù)這種觀點(diǎn)，科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)器，將蔥頭栽在回轉(zhuǎn)器上，每兩秒改變一次方向，也就是在兩秒內(nèi)，將植物從正常狀態(tài)（綠葉朝上）轉(zhuǎn)到反方向（綠葉朝下）。這就相當(dāng)于在失重狀態(tài)下，植物沒有了“上”和“下”之分。回轉(zhuǎn)器上的兩個蔥頭，一個被通上電源，受到一定的電壓刺激，另一個則不通電源。結(jié)果，那個沒接通電源的蔥頭，到了第四天葉子便開始向四處分散生長;又過了兩天，葉子開始枯黃萎縮，趨向于死亡。而另一個受到電刺激的蔥頭，恰恰與它的伙伴相反，就像長在菜田中一樣，綠油油的，挺拔而粗壯。

后來，科學(xué)家將這兩個蔥頭調(diào)換，不到一星期，奇跡發(fā)生了。那個快要死去的蔥頭，脫去了枯萎的葉片，重新長出新鮮綠葉;而原先充滿生機(jī)的蔥頭，因?yàn)槭チ穗姶碳ぃ芸焱Ｖ沽松L，葉梢變得枯黃卷曲。

電刺激實(shí)驗(yàn)的成功，不僅給航天員帶來福音，使他們能吃到新鮮的蔬菜瓜果，同時也使科學(xué)家對植物生長方向受誰控制的問題，有了更深刻的了解。

正當(dāng)大家都把注意力集中在植物生長素身上時，美國俄亥俄州州立大學(xué)的植物學(xué)家邁克·埃文斯，提出了一個嶄新的理論。他認(rèn)為，無機(jī)鈣對植物的生長方向起著舉足輕重的作用。因?yàn)樗谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，植物在彎曲生長過程中，無論是根冠下側(cè)部位，還是芽的上側(cè)部位，都存在大量的無機(jī)鈣。那么，無機(jī)鈣又是如何幫助植物辨別方向的呢？

埃文斯解釋說，因?yàn)楦趦?nèi)有極為豐富的含淀粉體的細(xì)胞，而淀粉體是一種貯存大量無機(jī)鈣的場所，在重力的作用下，淀粉體會把內(nèi)部的鈣送到根冠下側(cè)。這時，如果用特殊的實(shí)驗(yàn)手段去阻止鈣的移動，植物馬上會表現(xiàn)出不正常的生長方式。同樣，植物的芽雖然沒有冠部，但也含有豐富的淀粉體，淀粉體也能將內(nèi)部的鈣送到上側(cè)細(xì)胞中。由于細(xì)胞的上端和下端之間有不同的電荷，兩端電荷的不一致引起細(xì)胞極化。結(jié)果，大量被極化的細(xì)胞排列在一起，總電荷就很強(qiáng)，足以吸引任何相反電荷的鈣離子，驅(qū)使它們在體內(nèi)移動，引導(dǎo)植物的莖干總是向上生長，根朝下生長。

到底是誰控制著植物的生長方向？這種神奇的力量取決于什么，是植物生長素還是無機(jī)鈣？或者是兼而有之？目前這依然是一個有待探索的謎。