房裕東

向日葵因其花朵經(jīng)常朝向太陽(yáng)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(guó)時(shí)期，向日葵被視為太陽(yáng)神的化身;我國(guó)北宋文學(xué)家司馬光曾用詩(shī)句“更無(wú)柳絮因風(fēng)起，唯有葵花向日傾”來(lái)表明自己不愿摧眉折腰，對(duì)國(guó)家忠心不二的態(tài)度。上千年來(lái)，向日葵一直受到人們的喜愛(ài)和贊頌。你知道向日葵為什么會(huì)隨著太陽(yáng)而轉(zhuǎn)動(dòng)嗎？

向日葵何時(shí)逐日

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

此外，向日葵的逐日運(yùn)動(dòng)只發(fā)生在花盤(pán)尚未開(kāi)花或者剛開(kāi)放不久的一段時(shí)間，如果花盤(pán)已完全開(kāi)放或者已完成授粉，向日葵就不再追隨太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)了，而是會(huì)一直朝向東方。

向日葵為何逐日

在了解了向日葵花盤(pán)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律之后，植物學(xué)家們開(kāi)始探究向日葵為何會(huì)逐日運(yùn)動(dòng)。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(pán)的逐日運(yùn)動(dòng)。他們又去掉了向日葵的葉片，這時(shí)花盤(pán)便不再向著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)了。這說(shuō)明，向日葵的葉片對(duì)于花盤(pán)的運(yùn)動(dòng)至關(guān)重要，葉片是花盤(pán)逐日運(yùn)動(dòng)的必要條件。

那么，向日葵是如何通過(guò)葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)逐日運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)速度不同導(dǎo)致的——如果莖稈的一側(cè)生長(zhǎng)快而另一側(cè)生長(zhǎng)慢，莖稈就會(huì)向生長(zhǎng)速度慢的一側(cè)彎曲。植物學(xué)家們觀測(cè)了向日葵花盤(pán)運(yùn)動(dòng)時(shí)莖稈上部分的生長(zhǎng)速度，發(fā)現(xiàn)白天時(shí)莖稈東側(cè)的生長(zhǎng)速度比西側(cè)的快，而晚上時(shí)莖稈西側(cè)的生長(zhǎng)速度比東側(cè)的快，這與向日葵花盤(pán)白天自東向西、晚上自西向東的運(yùn)動(dòng)軌跡相符合。這也證明，向日葵花盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠莖稈不停調(diào)節(jié)兩側(cè)生長(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生濃度不同的生長(zhǎng)素。向光一側(cè)的葉片產(chǎn)生的生長(zhǎng)素濃度比背光一側(cè)的葉片產(chǎn)生的生長(zhǎng)素濃度低，這就導(dǎo)致背光一側(cè)的莖稈的生長(zhǎng)速度比向光一側(cè)的莖稈的生長(zhǎng)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(zhǎng)彎曲的現(xiàn)象被稱為向光性。第一個(gè)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(zhǎng)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剑谒慕M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(gè)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(zhǎng)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(huì)分泌出一種物質(zhì)并向下傳遞某種信號(hào)，從而造成植物向光彎曲的現(xiàn)象。

植物尖端到底是通過(guò)什么途徑向下傳遞信號(hào)的呢？1910年，丹麥植物學(xué)家波森·詹森對(duì)此提出了兩種假設(shè)：一是通過(guò)物理方式——電信號(hào)，二是通過(guò)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(guò)化學(xué)物質(zhì)且無(wú)導(dǎo)電性的膠體）和云母片（一種不能透過(guò)化學(xué)物質(zhì)也無(wú)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(kāi)，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(gè)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(shuō)明，植物莖尖產(chǎn)生的刺激可以透過(guò)瓊脂片傳遞給下部，莖尖是通過(guò)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(zhǎng)，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(zhǎng)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(zhǎng)素。生長(zhǎng)素主要分布在植物旺盛生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)素會(huì)從向光側(cè)往背光側(cè)橫向運(yùn)輸，這樣一來(lái)，背光側(cè)接收到的生長(zhǎng)素比向光側(cè)的多，所以背光側(cè)的生長(zhǎng)速度更快，導(dǎo)致植物向生長(zhǎng)速度較慢的向光側(cè)彎曲。

生長(zhǎng)素在植物生產(chǎn)中的應(yīng)用

生長(zhǎng)素其實(shí)具有二重性的特質(zhì)，濃度不同的生長(zhǎng)素會(huì)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(zhǎng);高濃度時(shí)，抑制細(xì)胞生長(zhǎng)。以塔形的圣誕樹(shù)為例，上小下大的樹(shù)冠就是生長(zhǎng)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(zhǎng)素，但高濃度的生長(zhǎng)素反而抑制了側(cè)芽的生長(zhǎng)，使得側(cè)枝長(zhǎng)得較小;而越往下，從頂芽運(yùn)輸而來(lái)的生長(zhǎng)素越少，對(duì)側(cè)芽的生長(zhǎng)抑制作用逐漸減弱，側(cè)枝反而長(zhǎng)得越來(lái)越大。當(dāng)然，如果人為地去掉頂芽，側(cè)芽處的生長(zhǎng)素濃度就會(huì)降低，側(cè)枝的生長(zhǎng)速度就會(huì)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(huì)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(zhǎng)得太高而不便采收，還可以促使側(cè)芽生長(zhǎng)，多開(kāi)花、多結(jié)果，提高產(chǎn)量。

（李恒克摘自《百科知識(shí)》2022年第8期）