房裕東
植物看似默默無聞,實(shí)則充滿智慧。它們沒有眼睛,卻知道太陽在哪里;知道什么時(shí)候日出,什么時(shí)候日落。那么,植物是如何“看見”光的呢?
在回答這個(gè)問題之前,我們需要了解光究竟是什么?光,本質(zhì)上就是各種波長的電磁輻射,包括無線電波、微波、太赫茲輻射、紅外線、紫外線、可見光、X射線、γ射線等。不同波長的可見光具有不同的顏色,人類視覺可以感受的是波長為380~780納米的電磁波,通常有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七色。人眼里有一種感光細(xì)胞,它們接收到電磁波之后,可以產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng),繼而傳導(dǎo)至大腦,由此形成視覺。
不過,植物既沒有眼睛,也沒有大腦,它們是怎樣“看見”光的呢?
關(guān)于植物視覺的一系列重要研究源于一種神奇的煙草。在1906年的美國馬里蘭州,一棵普通的煙草最多能長出約20片煙葉,而同地的另一種煙草居然能長出近百片煙葉!
這種超高產(chǎn)的煙草自然受到了想增加產(chǎn)量的煙農(nóng)的喜愛。由于這種煙草長得非常高大,所以人們將其稱為“猛犸煙草”。不過,“猛犸煙草”雖然不停地長高,卻很少開花結(jié)果,這意味著煙農(nóng)無法收獲種子以供來年播種。為何長勢喜人的“猛犸煙草”,卻很少開花結(jié)果呢?
當(dāng)?shù)責(zé)熮r(nóng)將“猛犸煙草”移栽到溫室,并將好不容易搜集到的少量種子送到美國農(nóng)業(yè)部,希望植物科學(xué)家們能幫助解答大家心中的疑惑。在那之后,兩位美國科學(xué)家,懷特曼·加納和哈利·阿拉德進(jìn)行了十年的艱苦實(shí)驗(yàn)。他們驗(yàn)證了營養(yǎng)、溫度、濕度、光照強(qiáng)度等當(dāng)時(shí)認(rèn)為可能會(huì)產(chǎn)生影響的因素,卻依然沒能找到答案。直到1918年,他們決定試一試光照時(shí)間是否會(huì)影響開花結(jié)果的進(jìn)程。
科學(xué)家們對(duì)兩株“猛犸煙草”分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn):一株長時(shí)間置于室外;另一株上午置于室外,下午放進(jìn)陰暗的室內(nèi)。一段時(shí)間后,他們發(fā)現(xiàn),第二株煙草比第一株提前開花了!這個(gè)實(shí)驗(yàn)證明,縮短光照時(shí)間可以加快“猛犸煙草”的開花速度。
后來,科學(xué)家們又進(jìn)一步通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),如果給置于陰暗環(huán)境中的“猛犸煙草”進(jìn)行短短30秒的突然光照,它不會(huì)出現(xiàn)提前開花的現(xiàn)象。這說明它并不是“記住”了白天有多長時(shí)間,而是“記住”了一晝夜中黑暗時(shí)間的長度。原來,“猛犸煙草”需要連續(xù)在黑暗中休息,而且只有連續(xù)休息的時(shí)間足夠長,它才可以開花結(jié)果;如果休息被打斷,那么之前的休息時(shí)間就不算,只能重新計(jì)算休息時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至此,科學(xué)家們很想知道,植物是否跟人類一樣,能“看見”不同顏色的光。他們將選定植物的種子放到不同顏色的光線下以便觀察它們的萌發(fā)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn),放在紅光下的種子萌發(fā)得特別快;而放在遠(yuǎn)紅光下的種子萌發(fā)率卻異常低(紅光的波長為600~692納米,遠(yuǎn)紅光的波長為692~730納米)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示,紅光與遠(yuǎn)紅光都能顯著調(diào)控種子的發(fā)育,但它們的調(diào)控作用與波長相反。
既然紅光和遠(yuǎn)紅光對(duì)植物種子的生長發(fā)育有著相反的調(diào)控作用,那我們讓種子同時(shí)接受這兩種光(照的順序不同)的照射,會(huì)發(fā)生什么反應(yīng)呢?實(shí)驗(yàn)顯示,如果給種子先照紅光再照遠(yuǎn)紅光,萌發(fā)會(huì)被明顯抑制;如果先照遠(yuǎn)紅光再照紅光,種子又能萌發(fā)。類似的“紅光——遠(yuǎn)紅光”循環(huán)可以重復(fù)數(shù)十次到上百次,而種子最終的反應(yīng)總是由最后照的那種光來決定。
根據(jù)這一現(xiàn)象,科學(xué)家們提出一種假設(shè):植物體內(nèi)可能存在一種感光分子,這種感光分子就像植物的眼睛一樣,能夠“看見”外界的光是紅光還是遠(yuǎn)紅光。當(dāng)它“看見”紅光(或者白光,白光包含紅光)時(shí),種子就萌發(fā);當(dāng)它“看見”遠(yuǎn)紅光時(shí)(或者在黑暗中),種子則不萌發(fā)。種子的反應(yīng)僅取決于它“看見”的最后一次光。這個(gè)假設(shè)具有劃時(shí)代的意義。
在此假設(shè)的基礎(chǔ)上,科學(xué)家們開始尋找這種感光分子到底是什么。植物研究領(lǐng)域中有一種被稱為“突變體庫”的倉庫,科學(xué)家們在這個(gè)庫里可以找到各種各樣的突變個(gè)體??茖W(xué)家們對(duì)那些在有光的條件下卻“看不見”光的,不能正常生長的植物進(jìn)行了大量研究。終于,1960年,這種感光分子被發(fā)現(xiàn)了,它被科學(xué)家命名為光敏色素(Phytochrome)。
經(jīng)過幾十年的探索,現(xiàn)在我們已經(jīng)知道,光敏色素是一種蛋白質(zhì),在植物體內(nèi)存在兩種類型:紅光吸收型(Pr)和遠(yuǎn)紅光吸收型(Pfr)。Pr是失活狀態(tài),在黑暗中越來越多,在紅光或者白光的照射下可以迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镻fr。Pfr是激活狀態(tài),在黑暗或者遠(yuǎn)紅光下可以慢慢轉(zhuǎn)變回Pr。
每天黑夜降臨后,植物體內(nèi)的光敏色素會(huì)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯硎Щ畹募t光吸收型,告訴植物“這是黑夜,現(xiàn)在該休息了”。伴隨著清晨的第一縷陽光,光敏色素迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)紅光吸收型,讓植物開始一天的工作。植物通過計(jì)算光敏色素兩次轉(zhuǎn)化的時(shí)間,就能知道它度過了一個(gè)多長時(shí)間的黑夜,進(jìn)而判斷是不是該開花結(jié)果。
光敏色素就像植物的眼睛一樣,非常重要。如果缺失了光敏色素,植物在看不見光的世界里是不能生長存活的。當(dāng)然,植物不僅只有能“看見”紅光的眼睛,現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)找到了植物能“看見”藍(lán)光、紫外光等不同光線的眼睛。
雖然植物沒有眼睛和大腦,但它卻可以通過光敏色素之類的感光分子“看見”世界的光明??此破匠5拇喝A秋實(shí),背后是植物體內(nèi)各種感知和調(diào)控體系的共同作用。植物果真不簡單呢!