植物如何“看见”光

2022-01-25房裕东

百科知识 2022年1期

房裕东

植物看似默默无闻，实则充满智慧。它们没有眼睛，却知道太阳在哪里；知道什么时候日出，什么时候日落。那么，植物是如何“看见”光的呢？

在回答这个问题之前，我们需要了解光究竟是什么？光，本质上就是各种波长的电磁辐射，包括无线电波、微波、太赫兹辐射、红外线、紫外线、可见光、X射线、γ射线等。不同波长的可见光具有不同的颜色，人类视觉可以感受的是波长为380～780纳米的电磁波，通常有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色。人眼里有一种感光细胞，它们接收到电磁波之后，可以产生神经冲动，继而传导至大脑，由此形成视觉。

不过，植物既没有眼睛，也没有大脑，它们是怎样“看见”光的呢？

关于植物视觉的一系列重要研究源于一种神奇的烟草。在1906年的美国马里兰州，一棵普通的烟草最多能长出约20片烟叶，而同地的另一种烟草居然能长出近百片烟叶！

这种超高产的烟草自然受到了想增加产量的烟农的喜爱。由于这种烟草长得非常高大，所以人们将其称为“猛犸烟草”。不过，“猛犸烟草”虽然不停地长高，却很少开花结果，这意味着烟农无法收获种子以供来年播种。为何长势喜人的“猛犸烟草”，却很少开花结果呢？

当地烟农将“猛犸烟草”移栽到温室，并将好不容易搜集到的少量种子送到美国农业部，希望植物科学家们能帮助解答大家心中的疑惑。在那之后，两位美国科学家，怀特曼·加纳和哈利·阿拉德进行了十年的艰苦实验。他们验证了营养、温度、湿度、光照强度等当时认为可能会产生影响的因素，却依然没能找到答案。直到1918年，他们决定试一试光照时间是否会影响开花结果的进程。

连续黑暗才是它的最爱

科学家们对两株“猛犸烟草”分别进行了实验：一株长时间置于室外；另一株上午置于室外，下午放进阴暗的室内。一段时间后，他们发现，第二株烟草比第一株提前开花了！这个实验证明，缩短光照时间可以加快“猛犸烟草”的开花速度。

后来，科学家们又进一步通过实验发现，如果给置于阴暗环境中的“猛犸烟草”进行短短30秒的突然光照，它不会出现提前开花的现象。这说明它并不是“记住”了白天有多长时间，而是“记住”了一昼夜中黑暗时间的长度。原来，“猛犸烟草”需要连续在黑暗中休息，而且只有连续休息的时间足够长，它才可以开花结果；如果休息被打断，那么之前的休息时间就不算，只能重新计算休息时间。

实验进行至此，科学家们很想知道，植物是否跟人类一样，能“看见”不同颜色的光。他们将选定植物的种子放到不同颜色的光线下以便观察它们的萌发情况。结果发现，放在红光下的种子萌发得特别快；而放在远红光下的种子萌发率却异常低（红光的波长为600～692纳米，远红光的波长为692～730纳米）。这个实验显示，红光与远红光都能显著调控种子的发育，但它们的调控作用与波长相反。

既然红光和远红光对植物种子的生长发育有着相反的調控作用，那我们让种子同时接受这两种光（照的顺序不同）的照射，会发生什么反应呢？实验显示，如果给种子先照红光再照远红光，萌发会被明显抑制；如果先照远红光再照红光，种子又能萌发。类似的“红光——远红光”循环可以重复数十次到上百次，而种子最终的反应总是由最后照的那种光来决定。

根据这一现象，科学家们提出一种假设：植物体内可能存在一种感光分子，这种感光分子就像植物的眼睛一样，能够“看见”外界的光是红光还是远红光。当它“看见”红光（或者白光，白光包含红光）时，种子就萌发；当它“看见”远红光时（或者在黑暗中），种子则不萌发。种子的反应仅取决于它“看见”的最后一次光。这个假设具有划时代的意义。

在此假设的基础上，科学家们开始寻找这种感光分子到底是什么。植物研究领域中有一种被称为“突变体库”的仓库，科学家们在这个库里可以找到各种各样的突变个体。科学家们对那些在有光的条件下却“看不见”光的，不能正常生长的植物进行了大量研究。终于，1960年，这种感光分子被发现了，它被科学家命名为光敏色素（Phytochrome）。

经过几十年的探索，现在我们已经知道，光敏色素是一种蛋白质，在植物体内存在两种类型：红光吸收型（Pr）和远红光吸收型（Pfr）。Pr是失活状态，在黑暗中越来越多，在红光或者白光的照射下可以迅速转变为Pfr。Pfr是激活状态，在黑暗或者远红光下可以慢慢转变回Pr。