向日葵為何逐日而生

房裕東

向日葵因其花朵經(jīng)常朝向太陽而得名，它的這一特點(diǎn)也常與人們向往溫暖和光明的美好心愿聯(lián)系在一起。印加帝國時(shí)期，向日葵被視為太陽神的化身；我國北宋文學(xué)家司馬光曾用詩句“更無柳絮因風(fēng)起，唯有葵花向日傾”來表明自己不愿摧眉折腰，對國家忠心不二的態(tài)度。上千年來，向日葵一直受到人們的喜愛和贊頌。你知道向日葵為什么會隨著太陽而轉(zhuǎn)動嗎？

向日葵何時(shí)逐日

向日葵追隨太陽轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象很早就引起了科學(xué)家們的好奇。早在1898年，美國植物學(xué)家約翰·沙夫納就系統(tǒng)地記錄了向日葵花盤的運(yùn)動軌跡，其逐日運(yùn)動主要分成三個階段：一、從日出到日落期間，花盤會隨太陽自東向西轉(zhuǎn)動，不過轉(zhuǎn)動并非實(shí)時(shí)，而是落后太陽運(yùn)動大約48分鐘；二、落日到晚上10點(diǎn)期間，向日葵會慢慢回到豎直的狀態(tài)，然后不動；三、凌晨3點(diǎn)后，花盤會緩慢向東轉(zhuǎn)動，直至朝向東方，等待太陽的再次升起。

此外，向日葵的逐日運(yùn)動只發(fā)生在花盤尚未開花或者剛開放不久的一段時(shí)間，如果花盤已完全開放或者已完成授粉，向日葵就不再追隨太陽運(yùn)動了，而是會一直朝向東方。

向日葵為何逐日

在了解了向日葵花盤的運(yùn)動規(guī)律之后，植物學(xué)家們開始探究向日葵為何會逐日運(yùn)動。向日葵彎曲的部位位于莖稈頂端以下10～15厘米處，于是植物學(xué)家們分別破壞了莖稈頂端和彎曲部分的莖稈的兩側(cè)，但這未能影響花盤的逐日運(yùn)動。他們又去掉了向日葵的葉片，這時(shí)花盤便不再向著太陽運(yùn)動了。這說明，向日葵的葉片對于花盤的運(yùn)動至關(guān)重要，葉片是花盤逐日運(yùn)動的必要條件。

那么，向日葵是如何通過葉片來實(shí)現(xiàn)逐日運(yùn)動的呢？2016年《科學(xué)》雜志的一篇封面文章揭示了向日葵這一迷人現(xiàn)象背后的部分機(jī)制。

植物莖稈的彎曲大多是由兩側(cè)的生長速度不同導(dǎo)致的——如果莖稈的一側(cè)生長快而另一側(cè)生長慢，莖稈就會向生長速度慢的一側(cè)彎曲。植物學(xué)家們觀測了向日葵花盤運(yùn)動時(shí)莖稈上部分的生長速度，發(fā)現(xiàn)白天時(shí)莖稈東側(cè)的生長速度比西側(cè)的快，而晚上時(shí)莖稈西側(cè)的生長速度比東側(cè)的快，這與向日葵花盤白天自東向西、晚上自西向東的運(yùn)動軌跡相符合。這也證明，向日葵花盤的轉(zhuǎn)動是靠莖稈不停調(diào)節(jié)兩側(cè)生長速度而實(shí)現(xiàn)的。日后的研究進(jìn)一步證實(shí)，向日葵的葉片被不同強(qiáng)度的光照射后，會產(chǎn)生濃度不同的生長素。向光一側(cè)的葉片產(chǎn)生的生長素濃度比背光一側(cè)的葉片產(chǎn)生的生長素濃度低，這就導(dǎo)致背光一側(cè)的莖稈的生長速度比向光一側(cè)的莖稈的生長速度要快。

植物的向光性由何決定

像向日葵這樣由于受光照射而生長彎曲的現(xiàn)象被稱為向光性。第一個研究植物向光性的是大名鼎鼎的達(dá)爾文。因?yàn)榻鸾z雀虉草胚芽鞘生長快、向光現(xiàn)象明顯，便于觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以當(dāng)時(shí)達(dá)爾文選用金絲雀虉草的幼苗進(jìn)行了胚芽鞘的向光性實(shí)驗(yàn)。他將金絲雀虉草隨機(jī)分成四組：第一組用不透光的黑色小帽套在胚芽鞘的尖端，第二組用透明的小帽套在胚芽鞘的尖端，第三組用不透光的黑紙?zhí)自谂哐壳始舛艘韵聨桌迕椎牡胤?，第四組不做任何處理。達(dá)爾文將這四組金絲雀虉草放在煤氣燈旁，幾個小時(shí)后，有趣的現(xiàn)象出現(xiàn)了：只有第一組被套住尖端的金絲雀虉草保持著直立生長狀態(tài)，另外三組都向光彎曲了。達(dá)爾文由此得出結(jié)論：胚芽鞘的尖端是植物感受光照的部位，尖端會分泌出一種物質(zhì)并向下傳遞某種信號，從而造成植物向光彎曲的現(xiàn)象。

植物尖端到底是通過什么途徑向下傳遞信號的呢？1910年，丹麥植物學(xué)家波森·詹森對此提出了兩種假設(shè)：一是通過物理方式——電信號，二是通過化學(xué)方式——某種化學(xué)物質(zhì)。波森·詹森用瓊脂片（一種可以透過化學(xué)物質(zhì)且無導(dǎo)電性的膠體）和云母片（一種不能透過化學(xué)物質(zhì)也無導(dǎo)電性的天然礦物）進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：將實(shí)驗(yàn)植物的莖尖與彎曲部位水平切開，然后在中間各放置一塊瓊脂片或云母片，再將其置于單側(cè)光照射的環(huán)境下數(shù)個小時(shí)。結(jié)果顯示，插入了瓊脂片的植物莖尖可以朝向光側(cè)彎曲，而插入了云母片的植物莖尖不能朝向光側(cè)彎曲。這說明，植物莖尖產(chǎn)生的刺激可以透過瓊脂片傳遞給下部，莖尖是通過產(chǎn)生某種化學(xué)物質(zhì)并將其運(yùn)輸?shù)街参锵虏?，然后促進(jìn)下部的生長，影響其彎曲的。

此后，多位科學(xué)家做了很多實(shí)驗(yàn)以探究這種促進(jìn)植物生長的化學(xué)物質(zhì)到底是什么，直至1942年，他們才確認(rèn)這種物質(zhì)是吲哚乙酸（IAA），一種植物天然生長素。生長素主要分布在植物旺盛生長的組織器官內(nèi)，如根尖、莖尖、幼嫩的種子等。植物的向光性彎曲確實(shí)是因?yàn)樯L素的不均勻分布所致。當(dāng)光照不均勻時(shí)，尖端產(chǎn)生的生長素會從向光側(cè)往背光側(cè)橫向運(yùn)輸，這樣一來，背光側(cè)接收到的生長素比向光側(cè)的多，所以背光側(cè)的生長速度更快，導(dǎo)致植物向生長速度較慢的向光側(cè)彎曲。

生長素在植物生產(chǎn)中的應(yīng)用

生長素其實(shí)具有二重性的特質(zhì)，濃度不同的生長素會產(chǎn)生兩種截然不同的效果：低濃度時(shí)，促進(jìn)細(xì)胞生長；高濃度時(shí)，抑制細(xì)胞生長。以塔形的圣誕樹為例，上小下大的樹冠就是生長素二重性的典型表現(xiàn)：距離頂芽最近的側(cè)芽得到了自身產(chǎn)生的和從頂芽輸送的多重生長素，但高濃度的生長素反而抑制了側(cè)芽的生長，使得側(cè)枝長得較??；而越往下，從頂芽運(yùn)輸而來的生長素越少，對側(cè)芽的生長抑制作用逐漸減弱，側(cè)枝反而長得越來越大。當(dāng)然，如果人為地去掉頂芽，側(cè)芽處的生長素濃度就會降低，側(cè)枝的生長速度就會加快。這就是為什么農(nóng)民在培育棉花、茶葉等作物時(shí)，都會在植物很小的時(shí)候摘除它們的頂芽，因?yàn)檫@樣不僅可以防止植株長得太高而不便采收，還可以促使側(cè)芽生長，多開花、多結(jié)果，提高產(chǎn)量。