植物生理面面观

植物生理面面观

植物的光合作用

万事万物的生长需要太阳，在生物发展的历史上，光合作用的出现是一件划时代的大事。

在20亿～30亿年以前，地球上生长的都是厌氧异养生物，生物不仅数量有限，种类也很少。光合作用出现后，绿色植物就大量繁殖起来，并提供了大量的生物界自制的有机物和氧气。人类和动物界赖以生存的能源直接、间接来自太阳光能，而将太阳光能转化为食物中的化学能的本领是绿色植物所特有的。绿色植物通过光合作用将吸收的太阳能用于同化空气中的二氧化碳和水，并进一步转化形成氧气等人类所必需的有机物质。在此基础上异养的生物开始出现，从此，生物界面貌大大改观，生物数量和种类增加，就形成了今天这个百花斗妍、千鸟争鸣的世界。太阳光是以辐射能提供能源的，以光能的光子或量子形式发射出来，那么，植物是如何利用太阳能进行光合作用呢？

绿色植物

科学家们对光合作用进行了200多年的探索，关于光合作用的最早记载从17世纪中叶开始。1779年，英国著名科学家普列斯特列和荷兰的印根豪茨首先发现绿色植物照光以后可以“净化空气”，再经过约100年，德国的萨克斯才证实照光的绿色植物中有演粉笔形成。人们的研究是值得赞赏的，但由于当时缺少正确的思路，实验手段又非常落后，所以研究工作进展缓慢。绿色植物是通过什么“机构”吸收太阳光能？这种吸收和利用光能的“机器”结构又是怎样的？二氧化碳到底怎样被固定、同化再转化为淀粉的？氧气又是怎样放出来的？那时都无法了解。直到20世纪，对于光合作用的研究才加快了步伐。特别是20世纪40年代以后，实验技术有了很大发展，通过各种分离、提取技术可以得到叶绿体及其色素和其他组成部分，高分辨率的显微镜尤其是电子显微镜用来观察光合器官的精细结构，这些技术的应用将研究工作推向深入。

经过精心的研究，科学家们发现植物吸收光能的部位是叶绿体，叶绿体是一个结构复杂的细胞器，它由基粒和间质两部分组成，基粒是一个由片层膜组成的囊状体，膜上存在着叶绿体色素和蛋白质。叶绿体色素和蛋白质可组成不同类型的复合体，不同类型的复合体各执行不同的机能。有的色素复合体专管吸收光能，被称“捕光色素”复合体；有的则担负起光能转移的功能，所有吸收的光能最终都集中到一个色素中心复合体，在那里进行电荷分离形成电子和质子，促使水的光解。

经过成千上万科学工作者的努力，动用了世界上最先进的科学仪器和技术，人们对光合作用已经越来越了解了，光合作用的揭示指日可待。

植物与真菌的依恋

植物与真菌相互依恋，它们共存共亡，这种现象在很长时间内都是个难解之谜。

水晶兰

在100多年前，一种叫水晶兰的植物引起了科学家的广泛关注。水晶兰的身上没有叶绿素，茎上不长叶子，而是覆盖着无色的小鳞片，形态上很像某些寄生植物。它不具备叶绿素，显然只能摄取现成的有机养料，那么它是如何得到有机养料的呢？是像腐生植物那样完全依靠自己获取营养，还是如同寄生植物那样从树根上获取呢？

经过研究发现水晶兰不是寄生植物，它完全是从土壤里获得有机营养。水晶兰根的整个表皮覆盖着密密麻麻的某种真菌的菌丝，菌丝体比表皮本身厚1～2倍。小根的末梢是在真菌鞘里，单独或成束的菌丝从四面与真菌鞘分开，这与寄生真菌有所不同，因为寄生真菌的菌丝只在根的表面，而不会侵入到根的组织中去。显然，水晶兰是由菌丝承担了供水营养的任务，在生理上取代了根毛的作用。

水晶兰种种奇妙的现象，使更多的学者开始了对兰科植物的研究。经过研究，他们发现兰花的种子异常微小，且种子外面有厚膜包着，里面几乎没有任何贮存的营养物质，而且它们在人工条件下根本不萌芽。生物学家贝尔纳在偶然的机会检查了巢兰的一个果实，看见里面有几颗已经发了芽的种子，其实严格地说，它们已不是种子，而是极小的幼苗。贝尔纳在显微镜下解剖巢兰幼芽，发现幼芽细胞里都有极细的小纤维团，这是进入到兰花种子里的某种真菌的菌丝。当时，兰花和真菌共生的现象已为人所知，但谁也没料到，长在梭状茎上的真菌菌丝能穿过茎，传到里面成熟的种子内。为此贝尔纳提出假设：真菌进入到兰花的幼芽里绝非偶然，而是兰花种子萌芽必不可少的条件。

为了证实自己的假说，贝尔纳从兰花根上取得真菌小团，并将这些真菌小团分别放在营养冻胶上进行培养，形成类似霉菌的东西。与此同时，他在严格的消毒条件下对兰花种子进行人工培养，但兰花种子没有发芽，后来他往培养基中加了一小块“霉菌”，结果很有效，当真菌菌丝一进入种子里，种子便开始萌发，几个月后长出了正常的兰花。这样他第一次证明了兰花种子萌芽时一定要有共生真菌才行。

那么，除了兰花以外，真菌对别的植物是否也具有必不可少的作用？或者，由于它的介入会不会使某些重要的经济作物丰产高产呢？法国另一位学者康斯坦丁做了一个有趣的实验，他在法国阿尔卑斯山1400米高的山坡地同时种了（用种子而不是块根）两组马铃薯来了解真菌对马铃薯有些什么样的影响，这两组马铃薯中一组是未施过肥但有各种真菌的处女牧地，另一组是没有真菌的普通土壤地。结果第一组的马铃薯受重叠真菌的严重感染，高质量的块根大丰收，而第二组的马铃薯却连一个块根都没结，显然，用种子栽种的马铃薯离不开共生真菌。

今天，真菌与植物相互依恋的面纱正在一层层被揭开，但是科学探索永无止境，自然界仍有许多难以解释的谜团等待科学家们去探索。

马铃薯

花儿为什么这样红

人们经常说红花绿叶，为什么花儿多数是红的呢？从科学上讲又有些什么原理呢？要回答这个问题还得从生物学的角度入手。

万紫千红，大红大紫，花青素在不同的酸碱反应中所显示出来的颜色造成了花儿的多姿多彩。花和叶的细胞液里都含有花青素，这些花青素是由葡萄糖转化过来的，当花青素是酸性的时候，植物呈现红色，酸性愈强，植物的颜色愈红；当花青素是碱性的时候，植物呈现蓝色，碱性较强，植物就可能呈现蓝黑色，如墨菊、黑牡丹等；当花青素是中性的时候，植物则呈现紫色。

当然，花儿不仅仅有红、蓝和紫三种颜色。有些花儿就是黄的，如“战地黄花分外香”的菊花、“金英翠萼带春寒”的迎春花就呈现黄色。菊科植物除了黄花以外，还有很多开橙色的花。橙色与柑橘、南瓜等果实的颜色相似，而最典型的是胡萝卜，所以表现这种色彩的色素，就被称为胡萝卜素。至于有些花儿呈现白色，那是因为细胞液里不含色素的缘故。在植物界，还有些花儿会变色，例如菊花，萎谢之前微染红色，表示它这时也含有少量的花青素了。变色的一个特殊例子是添色木芙蓉，早晨初开白色，中午淡红，下午深红，一日三变，愈开愈美丽。又如八仙花，初开白色微绿，经过几天，变成淡红或带微蓝，它不像添色木芙蓉那样朝开暮落。至于一般的花，大都初开时浓艳，后渐淡褪。

此外，花儿的颜色还可以用物理学原理来解释。太阳光经过三棱镜折射，会分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。这七种颜色的光波长短不同，紫光波最短。酸性的花青素会把红色的长光波反射出来，送入我们的眼帘，我们便感觉到是鲜艳的红花。同样，中性的花青素反射紫色的光波，碱性的花青素反射蓝色的光波，胡萝卜素有不同的成分，便分别反射黄色光波或橙色光波。白花不含色素，但组织里面含有空气，因此会把光波全部反射出来。有的花瓣，表面有较多的细微而排列整齐的玻璃球似的突起，看起来好像丝绒，能够像金刚石那样强烈地反射光线，这样的花色彩就更为鲜艳，如有些月季花就是这样。

白色的花

花儿呈现什么颜色还有生理上的需要。光波长短不同，所含热量也不同：红、橙、黄光波长，含热量多；蓝、紫光波短，含热量少。花的组织，尤其是花瓣，一般都比较娇嫩。在一般情况下，红、橙、黄花都生长在光照好的地方，反射含热量多的长光波，才不致引起灼伤，有保护植物体自身的作用。蓝花都生长在树林下、草丛间，反射短光波，吸收微弱的含热量多的长光波，这将有利于它的生长。白花也多阴性植物，有些夜间开放，反射了全部的光波，是另一种适应措施。自然界少有黑色的花，只有少数的花偶然有黑色的斑点，这是因为黑色吸收全部的光波，会造成热量过多，容易让自身受到伤害。

从进化的观点来看，花的颜色有一个自然选择的过程。裸子植物的花是最原始的状态，它们的花都呈绿色，而花药和花粉则呈黄色。在光谱里面，与绿色邻接的，长波一端是黄、橙和红，短波一端是青、蓝和紫，所以可以说，绿色是花色的起点，向长波一端发展，逐渐表现为黄、橙，最后出现红色；向短波一端发展，则出现青、蓝和紫。红色应是最晚出现的花色，在进化过程中居于顶峰，它最鲜艳，最耀眼。

在这个花色的自然选择的过程中，昆虫起到了至关重要的作用。亿万年前，裸子植物在地球上出现的时候，昆虫还不多。那时花色素淡，传粉受精全部依靠风力，这就是风媒花。后来出现了被子植物，昆虫也繁衍起来。被子植物的花有了花瓣，这时花瓣不再是绿色，而是比较显眼的黄色、白色或其他颜色，形状也大了，有的生有蜜腺，分泌蜜汁，有的散发芳香，因为这样更易引来了昆虫，“蜂争粉蕊蝶分香”，昆虫给花完成传粉受精的作用。

昆虫进行采蜜传粉时，有一个特殊的习性，就是经常只采访同一种植物的花朵。这个习性有利于保证同一种植物间的异花传粉，繁殖后代，同时也可以固定种的特征，包括花的颜色。因此在若干世纪以前，自然界有一种植物，花色微红，由于其中红色比较显著的花朵容易受到昆虫的注意，获得传粉的机会较多，经过无数代的选择，在悠长的岁月中，昆虫就给这种植物创造出纯正、显著、鲜艳的红色花朵。昆虫参与自然选择，制造了各种不同的植物，也为百花园增加了一道靓丽的风景。

牡丹品种繁多

最后，是人工选择制造了红艳的花儿。自然选择进程是缓慢的，需要经过漫长的历程才能显示它的威力。人工选择大大加快了物种变化的进程，能够在很短的时间内取得显著的成果。例如牡丹，由自然选择经过了亿万年造成的野生原种，花是单瓣的，花色也只有粉红的一种。经过人工栽培，仅就北宋中叶那一个时期来说吧，几十年工夫，就创造出多叶、千叶、楼子、并蒂等深红、肉红、紫色、墨紫、黄色、白色几十个品种。再如大丽花，原产墨西哥，只有8个红色花瓣，自从美洲发现大丽花，并开始人工培植大丽花以后，现在大丽花已有上千种形状、颜色不同的品种。又如虞美人，经过培养，已有红、黄、橙、白各种颜色，却从来没有出现过蓝色。19世纪末，美国的著名园艺育种家蒲班克发现一株花瓣上好似有一层烟雾的虞美人，特意培养，到20世纪初，便育成了各种深浅不同的蓝色虞美人，为花卉园艺增添了新的品种。

植物全息现象解疑

1948年，物理学家弋柏和罗杰斯发明了光学全息术并提出了“全息”这一概念。那么全息到底指的是什么呢？从物理学角度来理解全息是很简单的，例如将一根磁棒折成几段，每个棒段的南北极特性依然不变，每个小段与它原来的整根棒全息。所谓“植物全息”，就是植物每个相对独立的部分，在化学组成模式上与整体相同，是整体的成比例的缩小。

在大自然中，植物的全息现象已从形态、生物化学和遗传学等多方面找到了论证的实例。

首先，植物形态上存在全息现象。仔细观察一下棕榈树的叶子的外形，你会发现，它与整棵树的外形完全一致，只是比例的大小不同而已。一个梨的外形与整棵果树的外形吻合。行叶脉的植物，它们都是从茎的基部或下部分枝，主茎基本无分枝；相反，叶脉为网状的植物，它们的分枝多呈网状。

梨

在植物的生物化学组成上，也有明显的全息现象。例如，高粱叶上的氰酸分布形式与整个植株的分布形式相同。在整个植株上，上部的叶含氰酸较多，下部的叶含氰酸较少；在一张叶上，也是上部含量较多，下部含量较少。

有趣的是，当进行植物离体培养时，也可以发现了植物的全息现象。如将百合的鳞片经消毒用来离体培养，在鳞片基部较易诱导产生小鳞茎，即使把鳞片从上到下切成数段，同样小鳞茎的发生都是在每个离植段基部首先产生，且每段鳞片上诱导产生小鳞茎的数量，遵循由上至下逐渐增加的规律。这种诱导产生小鳞茎的特性与整株生芽特性相一致，呈全息对应的关系。在植物组织培养过程中，以大蒜的蒜瓣、矩叶菊、花叶芋和彩叶草等多种植物叶片为外植体，进行同样的试验观察时，都能见到这种全息现象。

现在，植物的全息规律已经广泛地运用在了农业生产上。长期以来，马铃薯的栽种习惯以块茎上的芽眼切下作为“种子”，但人们并没有考虑到块茎上芽眼之间的遗传差异，只是习惯使然。根据植物全息的原理证明，这些芽眼之间必定会有特性的区别。马铃薯在全株的下部结块茎，对于全息对应的块茎来说，它的下部芽眼结块茎的特性也一定较强。于是，为了证实上述的想法，科学家做了系统的试验。分别以“蛇皮粉”、“跃进”等5个马铃薯品种的块茎为材料，将它们的芽眼切成远基端芽眼和近基端芽眼两组，进行种植比较试验。实验结果，以远基端芽切块制种生产时，各个品种的产量均得到了增加，平均增产达19．2%。

农业上的全息现象给人们制造了财富，也给了人们很大的启示。既然马铃薯按照全息规律种植可以增产，那么小麦、水稻……它们的留种应该采用什么部位制种呢？这些有趣而具生产实践意义的全息课题，目前不少人正在试验观察中。不过，人们在长期的生产实践中，已经摸索出了一些生物全息规律，只不过未形成系统而已。例如，我国不少地区种植玉米的农民在留种时，习惯把玉米棒中间或偏下的籽粒留下作为种子，而把两端的籽粒去除，以此来确保玉米的丰收，这种玉米籽粒的留种方法就符合生物全息规律。因为玉米棒子是在植株的中间或偏下部分着生的，而作为植株对应全息的玉米棒，其中间或偏下着生的籽粒，在遗传上也一定有较强的优势。经试验，用这种方法制种，可以增产35．47%。

玉米

全息生物学观点的提出，虽然只有短短的几年，但已引起不少人的强烈兴趣，国内已先后4次召开全国性的学术会议，交流了各方面的研究信息，国外的有关学者对“全息生物学”的提出也给予极高的评价。目前，植物全息规律还等着人们去进一步挖掘，相信植物全息规律会给人们创造出一个美好的明天。

植物吃人事件趣谈

植物吃人的报道屡见不鲜，有的说在南美洲亚马逊河流域的原始森林中有吃人植物，也有的说在印度尼西亚的爪哇岛上有植物吃人。虽然这些报道对各种不同的吃人植物的形态、习性和地点方面做了详细的描述，但在所有的报道中，谁也没有拿出关于吃人植物的直接证据，即照片或标本，也没有确切地指出这种植物是哪一个科或哪一个属的。因此，许多植物学家对吃人植物是否存在的问题仍然表示怀疑。

吃人植物的最早报道来自于19世纪后半叶，有一位名叫卡尔·李奇的德国人在探险归来后说：“我在非洲的马达加斯加岛上，亲眼见到过一种能够吃人的树木，当地居民把它奉为神树，曾经有一位土著妇女因为违反了部族的戒律，被驱赶着爬上神树，结果树上8片带有硬刺的叶子把她紧紧包裹起来，几天后，树叶重新打开时只剩下一堆白骨。”于是，世界上存在吃人植物的消息便从此传开了。

这些没有任何事实依据的报道弄得人心惶惶，更使植物学家们困惑不已。为了证明吃人植物的存在与否，1971年，南美洲科学家组织了一支探险队，专程赴马达加斯加岛考察。他们在传闻有吃人树的地区进行了广泛的搜索，结果并没有发现这种可怕的植物，他们在那儿只是见到了许多能吃昆虫的猪笼草和一些蜇毛能刺痛人的荨麻类植物。这次考察的结果使学者们更增添了对吃人植物存在的真实性的怀疑。

1979年，英国一位研究食肉植物的权威——艾得里安·斯莱克在他刚刚出版的专著《食肉植物》中说：到目前为止，在学术界尚未发现有关吃人植物的正式记载和报道，就连著名的植物学巨著、德国人恩格勒主编的《植物自然分科志》以及世界性的《有花植物与蕨类植物辞典》中，也没有任何关于吃人树的描写。除此以外，英国著名生物学家华莱士，在他走遍南洋群岛后所撰写的名著《马来群岛游记》中，记述了许多罕见的南洋热带植物，但也未曾提到过有吃人植物。因而绝大多数植物学家认同这样一种观点，世界上不存在吃人植物。

猪笼草

连植物学家们都没有找到有利的线索，那怎么会出现吃人植物的说法呢？艾得里安·斯莱克和其他一些学者认为，吃人植物最大的可能是有人根据食肉植物捕捉昆虫的特性，经过想象和夸张而产生的；当然也可能是根据某些未经核实的传说而误传的。根据现存资料显示，地球上确确实实存在着一类行为独特的食肉植物，它们分布在世界各国，共有500多种，其中最著名的有瓶子草、猪笼草和捕捉水下昆虫的狸藻等。

艾得里安·斯莱克在他的专著《食肉植物》中指出，这些食肉植物的叶子非常奇特，有的像瓶子，有的像小口袋或蚌壳，也有的叶子上长满腺毛，能分泌出各种酶来消化虫子体，它们通常捕食蚊蝇类的小虫子，但有时也能“吃”掉像蜻蜓一样的大昆虫。这些食肉植物大多数生长在经常被雨水冲洗和缺少矿物质的地带，由于这些地区的土壤呈酸性，缺乏氮素营养，因此植物根部的吸收作用不大，为了满足生存的需要，它们经历了漫长的演化过程，变成了一类能吃动物的植物。但是，艾得里安·斯莱克强调说，在迄今所知道的食肉植物中，还没有发现哪一种植物如同某些作品描述的那样：生有许多长长的枝条，行人如果不小心碰到这些枝条，枝条就会紧紧地缠绕行人，这时枝条上分泌出一种极黏的消化液，牢牢地把人黏住勒死，直到将人体中的营养吸收完为止。

吃人植物是否存在呢？现在任何人还不能下肯定的结论。有些学者们认为，在目前已发现的食肉植物中，捕食的对象仅仅是小小的昆虫而已，它们分泌出的消化液，对小虫子来说恐怕是汪洋大海，但对于人或较大的动物来说，简直微不足道，因此，很难使人相信地球上存在吃人植物的说法。但也有一些学者认为，虽然眼下还没有足够证据说明吃人植物的存在，可是不应该武断地加以彻底否定，因为科学家的足迹还没有踏遍全世界的每一个角落，也许，在某个沉寂的原始森林中，人类会有意想不到的发现。

原始森林