房裕東

植物看似默默無聞，實則充滿智慧。它們沒有眼睛，卻知道太陽在哪里；知道什么時候日出，什么時候日落。那么，植物是如何“看見”光的呢？

在回答這個問題之前，我們需要了解光究竟是什么？光，本質(zhì)上就是各種波長的電磁輻射，包括無線電波、微波、太赫茲輻射、紅外線、紫外線、可見光、X射線、γ射線等。不同波長的可見光具有不同的顏色，人類視覺可以感受的是波長為380～780納米的電磁波，通常有紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫七色。人眼里有一種感光細(xì)胞，它們接收到電磁波之后，可以產(chǎn)生神經(jīng)沖動，繼而傳導(dǎo)至大腦，由此形成視覺。

不過，植物既沒有眼睛，也沒有大腦，它們是怎樣“看見”光的呢？

關(guān)于植物視覺的一系列重要研究源于一種神奇的煙草。在1906年的美國馬里蘭州，一棵普通的煙草最多能長出約20片煙葉，而同地的另一種煙草居然能長出近百片煙葉！

這種超高產(chǎn)的煙草自然受到了想增加產(chǎn)量的煙農(nóng)的喜愛。由于這種煙草長得非常高大，所以人們將其稱為“猛犸煙草”。不過，“猛犸煙草”雖然不停地長高，卻很少開花結(jié)果，這意味著煙農(nóng)無法收獲種子以供來年播種。為何長勢喜人的“猛犸煙草”，卻很少開花結(jié)果呢？

當(dāng)?shù)責(zé)熮r(nóng)將“猛犸煙草”移栽到溫室，并將好不容易搜集到的少量種子送到美國農(nóng)業(yè)部，希望植物科學(xué)家們能幫助解答大家心中的疑惑。在那之后，兩位美國科學(xué)家，懷特曼·加納和哈利·阿拉德進行了十年的艱苦實驗。他們驗證了營養(yǎng)、溫度、濕度、光照強度等當(dāng)時認(rèn)為可能會產(chǎn)生影響的因素，卻依然沒能找到答案。直到1918年，他們決定試一試光照時間是否會影響開花結(jié)果的進程。

連續(xù)黑暗才是它的最愛

科學(xué)家們對兩株“猛犸煙草”分別進行了實驗：一株長時間置于室外；另一株上午置于室外，下午放進陰暗的室內(nèi)。一段時間后，他們發(fā)現(xiàn)，第二株煙草比第一株提前開花了！這個實驗證明，縮短光照時間可以加快“猛犸煙草”的開花速度。

后來，科學(xué)家們又進一步通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果給置于陰暗環(huán)境中的“猛犸煙草”進行短短30秒的突然光照，它不會出現(xiàn)提前開花的現(xiàn)象。這說明它并不是“記住”了白天有多長時間，而是“記住”了一晝夜中黑暗時間的長度。原來，“猛犸煙草”需要連續(xù)在黑暗中休息，而且只有連續(xù)休息的時間足夠長，它才可以開花結(jié)果；如果休息被打斷，那么之前的休息時間就不算，只能重新計算休息時間。

實驗進行至此，科學(xué)家們很想知道，植物是否跟人類一樣，能“看見”不同顏色的光。他們將選定植物的種子放到不同顏色的光線下以便觀察它們的萌發(fā)情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，放在紅光下的種子萌發(fā)得特別快；而放在遠(yuǎn)紅光下的種子萌發(fā)率卻異常低（紅光的波長為600～692納米，遠(yuǎn)紅光的波長為692～730納米）。這個實驗顯示，紅光與遠(yuǎn)紅光都能顯著調(diào)控種子的發(fā)育，但它們的調(diào)控作用與波長相反。

既然紅光和遠(yuǎn)紅光對植物種子的生長發(fā)育有著相反的調(diào)控作用，那我們讓種子同時接受這兩種光（照的順序不同）的照射，會發(fā)生什么反應(yīng)呢？實驗顯示，如果給種子先照紅光再照遠(yuǎn)紅光，萌發(fā)會被明顯抑制；如果先照遠(yuǎn)紅光再照紅光，種子又能萌發(fā)。類似的“紅光——遠(yuǎn)紅光”循環(huán)可以重復(fù)數(shù)十次到上百次，而種子最終的反應(yīng)總是由最后照的那種光來決定。

根據(jù)這一現(xiàn)象，科學(xué)家們提出一種假設(shè)：植物體內(nèi)可能存在一種感光分子，這種感光分子就像植物的眼睛一樣，能夠“看見”外界的光是紅光還是遠(yuǎn)紅光。當(dāng)它“看見”紅光（或者白光，白光包含紅光）時，種子就萌發(fā)；當(dāng)它“看見”遠(yuǎn)紅光時（或者在黑暗中），種子則不萌發(fā)。種子的反應(yīng)僅取決于它“看見”的最后一次光。這個假設(shè)具有劃時代的意義。

在此假設(shè)的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們開始尋找這種感光分子到底是什么。植物研究領(lǐng)域中有一種被稱為“突變體庫”的倉庫，科學(xué)家們在這個庫里可以找到各種各樣的突變個體?？茖W(xué)家們對那些在有光的條件下卻“看不見”光的，不能正常生長的植物進行了大量研究。終于，1960年，這種感光分子被發(fā)現(xiàn)了，它被科學(xué)家命名為光敏色素（Phytochrome）。

經(jīng)過幾十年的探索，現(xiàn)在我們已經(jīng)知道，光敏色素是一種蛋白質(zhì)，在植物體內(nèi)存在兩種類型：紅光吸收型（Pr）和遠(yuǎn)紅光吸收型（Pfr）。Pr是失活狀態(tài)，在黑暗中越來越多，在紅光或者白光的照射下可以迅速轉(zhuǎn)變?yōu)镻fr。Pfr是激活狀態(tài)，在黑暗或者遠(yuǎn)紅光下可以慢慢轉(zhuǎn)變回Pr。

每天黑夜降臨后，植物體內(nèi)的光敏色素會逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯硎Щ畹募t光吸收型，告訴植物“這是黑夜，現(xiàn)在該休息了”。伴隨著清晨的第一縷陽光，光敏色素迅速轉(zhuǎn)變?yōu)檫h(yuǎn)紅光吸收型，讓植物開始一天的工作。植物通過計算光敏色素兩次轉(zhuǎn)化的時間，就能知道它度過了一個多長時間的黑夜，進而判斷是不是該開花結(jié)果。

光敏色素就像植物的眼睛一樣，非常重要。如果缺失了光敏色素，植物在看不見光的世界里是不能生長存活的。當(dāng)然，植物不僅只有能“看見”紅光的眼睛，現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)找到了植物能“看見”藍(lán)光、紫外光等不同光線的眼睛。

雖然植物沒有眼睛和大腦，但它卻可以通過光敏色素之類的感光分子“看見”世界的光明。看似平常的春華秋實，背后是植物體內(nèi)各種感知和調(diào)控體系的共同作用。植物果真不簡單呢！