吳　凡

含羞草或合歡草等豆科植物白天打開(kāi)葉子，傍晚它們又閉上葉子“睡覺(jué)”，這種由葉子的開(kāi)閉引起的植物“睡眠運(yùn)動(dòng)”自古以來(lái)就受到人們關(guān)注。最早的記錄可追溯到公元前4世紀(jì)留下的亞歷山大大帝命令部下調(diào)查“植物何以睡眠”的記錄。到了18世紀(jì)，法國(guó)的生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使將含羞草置于光射不進(jìn)去的洞穴中，幾天之中它仍持續(xù)以24小時(shí)為周期開(kāi)閉葉片，也就是說(shuō)它不受光等外部環(huán)境的影響，這說(shuō)明在它體內(nèi)存在周期性運(yùn)動(dòng)的“生物鐘”。達(dá)爾文是最早對(duì)植物運(yùn)動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)觀察研究的科學(xué)家。他晚年被植物的多樣性吸引，與兒子弗朗西斯一起仔細(xì)觀察了300多種植物，在他去世前兩年寫(xiě)了一本有關(guān)植物的睡眠運(yùn)動(dòng)、彎曲及旋轉(zhuǎn)攀爬運(yùn)動(dòng)的巨著《植物的運(yùn)動(dòng)》，該書(shū)已成為經(jīng)典名著。

葉片開(kāi)閉機(jī)制

現(xiàn)在，科學(xué)家通過(guò)顯微鏡觀察已經(jīng)知道，植物的睡眠運(yùn)動(dòng)是由葉柄上一種叫做“運(yùn)動(dòng)細(xì)胞”的特殊細(xì)胞膨脹或收縮引起的。運(yùn)動(dòng)細(xì)胞吸水漲大后葉片就張開(kāi)，運(yùn)動(dòng)細(xì)胞排出水縮小后葉子就會(huì)閉合。

調(diào)節(jié)這種運(yùn)動(dòng)細(xì)胞的體積變化是在細(xì)胞膜的“鉀通道”——根據(jù)生物鐘按一定的時(shí)間周期開(kāi)閉鉀離子通道，伴隨著鉀離子從通道的出入，水或是進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)或是跑出細(xì)胞外。其實(shí)，從20世紀(jì)初，許多研究者就考慮到存在控制這種葉片運(yùn)動(dòng)的生物物質(zhì)，并嘗試進(jìn)行分離，但最終沒(méi)有取得成功。

20世紀(jì)80年代，德國(guó)一名科學(xué)家在報(bào)告中稱(chēng)發(fā)現(xiàn)一種名叫“太酷靈”的有機(jī)化合物，是控制葉片開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)的新的“植物激素”。這個(gè)報(bào)告引起全世界的關(guān)注，并把它與當(dāng)時(shí)著名的植物生長(zhǎng)激素“茁長(zhǎng)素”或赤霉素并列為重大發(fā)現(xiàn)。

與此同時(shí)，有些科學(xué)家也提出了異議，認(rèn)為“太酷靈”分子內(nèi)有顯示強(qiáng)酸性的硫酸基，難以設(shè)想在中性植物體內(nèi)有那樣的強(qiáng)酸性物質(zhì)以游離態(tài)存在。事實(shí)上，最近的研究也顯示“太酷靈”對(duì)葉片開(kāi)閉幾乎不起任何激活作用。

另一方面，從顯示使葉子閉合的活性來(lái)說(shuō)，專(zhuān)家認(rèn)為“太酷靈”的活性與有機(jī)分子主題無(wú)關(guān)，僅是由其分子內(nèi)硫酸基的酸刺激引起的。研究表明，當(dāng)時(shí)德國(guó)科學(xué)家在分離過(guò)程中誤把酸性當(dāng)作激活條件，結(jié)果丟失了真正的生理活性物質(zhì)。為此，專(zhuān)家在中性的條件下對(duì)真正的生理活性物質(zhì)進(jìn)行分離。

控制植物運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)各不相同

目前，科學(xué)家通過(guò)從植物提取的幾千種化合物中萃取生理活性物質(zhì)的分離實(shí)驗(yàn)，最終成功地分離出兩種生理活性物質(zhì)，并確定了它們的分子結(jié)構(gòu)。一種是讓植物葉片閉合的“睡眠物質(zhì)”，另一種是讓植物葉片張開(kāi)的“覺(jué)醒物質(zhì)”。植物的睡眠運(yùn)動(dòng)就是由這兩種性質(zhì)相反的物質(zhì)控制的。

由于事前誰(shuí)也沒(méi)有料到生理活性物質(zhì)會(huì)是兩個(gè)種類(lèi)，為此在分離過(guò)程中不知不覺(jué)使它們之間相互否定，沒(méi)能很快發(fā)現(xiàn)生理活性物質(zhì)。后來(lái)開(kāi)發(fā)了正確區(qū)分睡眠物質(zhì)與覺(jué)醒物質(zhì)的方法，才獲得成功。這種分離法研究了10年之久，它從十幾千克的物質(zhì)中最終分離出的生理活性物質(zhì)僅僅幾毫克。

迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)從含羞草、決明屬、葉下珠屬、鐵掃帚、合歡屬5種豆科植物中各自成對(duì)地分離出了“睡眠物質(zhì)”與“覺(jué)醒物質(zhì)”。每種植物的這些活性物質(zhì)對(duì)于其他植物完全不起作用。例如即使將合歡屬的“睡眠”或“覺(jué)醒”物質(zhì)以10萬(wàn)倍的濃度作用于含羞草，也完全沒(méi)有效果。

這說(shuō)明每種植物的生理活性物質(zhì)都不一樣。這一發(fā)現(xiàn)推翻了控制所有植物運(yùn)動(dòng)的生理活性物質(zhì)都是相同的假說(shuō)。

另一方面，我們知道頂合歡、緬甸合歡、歐洲合歡分類(lèi)上屬于同一屬的植物，故具有共同的生理活性物質(zhì)。這樣，控制睡眠運(yùn)動(dòng)的生理活性物質(zhì)因所屬而不一樣，這說(shuō)明睡眠運(yùn)動(dòng)這種現(xiàn)象是在進(jìn)化中的某階段獲得的。

睡眠物質(zhì)結(jié)構(gòu)

那么，生物鐘是怎樣控制植物“睡眠運(yùn)動(dòng)”的呢?通過(guò)對(duì)葉下珠每隔4小時(shí)采集、萃取，測(cè)定其體內(nèi)的生理活性物質(zhì)的濃度變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“覺(jué)醒物質(zhì)”的濃度幾乎全天恒定，而“睡眠物質(zhì)”的濃度卻是白天減少，夜間增加。由此通過(guò)測(cè)定覺(jué)醒物質(zhì)與睡眠物質(zhì)的濃度平衡與否的變化，可以確定葉片是閉合還是張開(kāi)。

專(zhuān)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)，還了解到睡眠物質(zhì)的濃度變化起因于化學(xué)反應(yīng)，并且徹底查明了葉下珠的睡眠物質(zhì)由所謂配糖物組成。配糖物是由葡萄糖與總稱(chēng)為配質(zhì)(糖苷中的非糖物)結(jié)合的化合物。

白晝，因?yàn)榕涮俏锏钠咸烟潜凰址纸獬煞翘俏?，所以睡眠物質(zhì)濃度減小而葉片張開(kāi)。一到夜里，葡萄糖再度與非糖物結(jié)合使睡眠物質(zhì)激活，所以葉片閉合。即通過(guò)葡萄糖與非糖物粘合或分離，起到了葉片開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)的開(kāi)關(guān)作用。專(zhuān)家認(rèn)為這個(gè)開(kāi)關(guān)由“β—葡萄糖苷酶”控制。

另一方面，鐵掃帚的情形與葉下珠的情形正相反，張開(kāi)葉片的覺(jué)醒物質(zhì)組成配糖物的結(jié)構(gòu)，一旦到閉合葉片的傍晚。覺(jué)醒物質(zhì)被水分解為非糖物，推動(dòng)了活性，其結(jié)果是睡眠物質(zhì)的濃度相對(duì)提高，葉片閉合。

揭開(kāi)生物鐘之謎

從以上結(jié)果，我們能夠?qū)⒂缮镧娍刂频乃哌\(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制歸納如下，即睡眠物質(zhì)與覺(jué)醒物質(zhì)都是糖苷結(jié)合在配基(非糖物)上的配糖物。一到某個(gè)特定的時(shí)間，生物鐘讓?duì)隆咸烟擒彰讣せ罴铀纸馀涮俏?，結(jié)果兩活性物質(zhì)間的濃度平衡發(fā)生變化引起睡眠運(yùn)動(dòng)。再者，專(zhuān)家通過(guò)帶熒光色素的生理活性物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，獲知生理活性物質(zhì)直接作用于植物葉枕部分的運(yùn)動(dòng)細(xì)胞。專(zhuān)家認(rèn)為各植物的運(yùn)動(dòng)細(xì)胞膜僅對(duì)所屬的生理活性物質(zhì)存在受容器。這也說(shuō)明，不是該植物的生理活性物質(zhì)，由于沒(méi)有所屬的受容器，所以不起作用。

讓豆科植物“失眠”

那么，豆科植物究竟為什么要睡眠呢?達(dá)爾文在《植物的運(yùn)動(dòng)》一書(shū)中稱(chēng)，是“為了保護(hù)身體免受夜間低溫的侵襲，采用閉上葉片的睡眠的方法”。20世紀(jì)70年代生物鐘理論權(quán)威則認(rèn)為，是為了防止因月光引起生物鐘的復(fù)位。

不管植物“睡眠”是為了躲避夜間的低溫還是夜間明亮的月光，這些說(shuō)法都缺乏實(shí)驗(yàn)上的科學(xué)依據(jù)，也就是說(shuō)人們一直不能制造出不“睡眠”即不閉合葉片的豆科植物?，F(xiàn)在科學(xué)家終于可以讓植物不“睡覺(jué)”了。他們合成了一種阻礙鐵掃帚“睡眠”的物質(zhì)，將這種物質(zhì)作用于一株鐵掃帚，果然它的葉片就張開(kāi)了。這種植物由此患上了“失眠癥”，葉片一直張開(kāi)著。由于不睡覺(jué)，結(jié)果這株植物受到了傷害，兩周后完全枯萎。這一實(shí)驗(yàn)也證明了“睡眠運(yùn)動(dòng)”是植物生存不可或缺的生命現(xiàn)象。

環(huán)境和諧型農(nóng)藥

通過(guò)豆科植物不睡眠就枯死的事實(shí)，以及生理活性物質(zhì)每種植物都不一樣，所以專(zhuān)家認(rèn)為可以利用植物本來(lái)的生物現(xiàn)象開(kāi)發(fā)出環(huán)境和諧型農(nóng)藥。例如，現(xiàn)在市場(chǎng)上出售的除草劑還達(dá)不到對(duì)豆科植物無(wú)害，僅使豆科的雜草枯死，而所謂睡眠運(yùn)動(dòng)阻斷劑，就是僅使特定的植物患上失眠癥枯死。

在美國(guó)廣闊的大豆地里，使用的是“儂多枯”除草劑，但是“儂多枯”對(duì)美國(guó)角合歡這樣豆科的雜草不起作用。對(duì)此，科學(xué)家從生長(zhǎng)在日本的同屬角合歡取出生理活性物質(zhì)，合成可導(dǎo)致角合歡失眠癥的睡眠運(yùn)動(dòng)阻斷劑，并將此投放到角合歡上，可以看到第三天就完全枯死。并且這種除草劑的使用對(duì)大豆莊稼的生長(zhǎng)完全沒(méi)有影響。另外，如果延長(zhǎng)植物睡眠時(shí)間，其水分的蒸發(fā)將減少，那么，或許將來(lái)能夠開(kāi)發(fā)出有一定抗旱能力的莊稼。

責(zé)任編輯：蒲暉