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三、植物嘗到什麼 飲水的植物

三、植物嘗到什麼

讓大多數植物吃點苦頭,它們的味道嘗起來會更好。
——黛安娜·肯尼迪

我們已經知道,菟絲子可以嗅出它的獵物,區分它所喜愛的番茄和它所討厭的小麥。我們可以說這種植物有口味偏好。我自己也嘗過番茄汁和小麥草汁,憑著這些體驗,我可以有把握地說菟絲子還真是挺會挑。不過,這真的意味著菟絲子和其他植物能感覺到味道嗎?
還是讓我們先看一下我們自己的味覺,再判斷植物是否能嘗到什麼。人類的味覺與嗅覺非常相似。我們聞到的是揮發性的化學物質,嘗到的則是可溶的化學物質。比如說,我們能聞到檸檬皮中的檸檬烯,而能嘗到檸檬酸,正是它讓檸檬變得奇酸無比。對我們哺乳動物來說,味覺就是口部和喉部接觸到一種物質時所覺察到的風味感覺。而且正如我們的鼻子里有嗅覺受體,可以與揮發性分子結合,對它們做出反應,我們的嘴裏也有數以千計的味蕾,可以與可溶性分子結合,對它們做出反應。雖然你可能會以為舌頭上那些微小的突起就是味蕾,但它們實際上叫作「舌乳|頭」,每個舌乳|頭都包含有很多味蕾(口腔其他部位也是如此)。每個味蕾又含有5種味覺感受器,可以嘗到5種基本味道——咸、甜、苦、酸和鮮。每一個味覺感受器都與味覺神經相連,最終連到腦中的味覺中樞。
味蕾裏面味覺感受器的作用方式也很像鼻子中的嗅覺感受器,都擁有類似鎖鑰系統的機制。一種溶解在水中的特定化學物質可以與感受器外面的一種專門的蛋白質結合。比如說,鹹味感受器可以與鈉結合,鈉附著到感受器上之後,一個電信號就此生成,並從鹹味感受器傳播到味覺神經元,一直抵達腦中的味覺中樞,然後腦便把這個信號解釋為鹹味。因為每個味蕾都可以同時對多個信號做出反應,我們的舌頭可以感受到非常複雜的味道組合,其中就有我們中間很多人喜歡的一些風味。
植物顯然沒有嘴巴,但它們確實能區分不同的溶解性化學物質。如果把植物比擬為動物,那麼它們的「舌頭」就在根部。植物的根扎入土壤,吸收必需的水分和礦物質,滿足營養、生長和發育的需求。根還可以感知到在土壤中傳遞、來自鄰近的根和微生物的化學信息。就像我們自己的營養需要從我們所吃的食物(食物在這段旅程的開頭會讓我們嘗到味道)獲取一樣,植物從土壤中吸引的礦物質也是植物營養的必要成分。
和人類不同,植物知道如何生產大部分養分。我們需要通過攝食植物和來自植物的食物獲得熱量,很多時候乾脆是來自不下車就能買飯的快餐店;植物卻有獨特的本領,可以為自己製造熱量(然後又被我們吃下)。植物通過光合作用製造糖分,所用的基本材料只是二氧化碳和水,之後又把這些糖分轉化為蛋白質和更複雜的糖類(碳水化合物)。不過,儘管植物可以給自己製造糖分,但它們仍然完全依賴外部資源獲取生命必需的礦物質。氮、磷、鉀、鈣、鎂以及鐵、鋅、硼、銅、鎳、鉬和錳這些微量元素都是植物營養的關鍵組分。以光合作用為例,如果沒有大量鎂和錳的支持,它就不可能發生。每一個綠色的葉綠素分子中央都含有鎂,好比我們血液中紅細胞里的每個血紅蛋白分子中央都含有鐵。錳離子則在光合作用的一個叫「水裂解」的關鍵過程中不可或缺。在這一系列非常複雜的光化學反應中,電子從兩分子的水中剝奪出來,運送給光合蛋白質。太陽光可以激活這些電子,形成非常類似電池的電化學梯度,從而為葉綠體提供動力。水裂解的副產物之一則是由一對氧原子形成的氧分子(O2),釋放到空氣中就成為我們呼吸的氧氣。錳因此構成了一座化學橋樑,把電子從水中導出,供光合作用之用。如果沒有錳,水就不能裂解,我們也無氧可吸。所以,植物在土壤中嘗到的東西對它(以及我們)的生存極為重要。
人類的味蕾為每一種味道都準備了專門的細胞;相比之下,植物則採取了一種較為通用的策略。植物的根里並沒有專門感知鎂或專門感知鉀的細胞;每個細胞都擁有專門的一套受體,負責處理各種礦物質。比如說,在根細胞的外層上就能找到兩類蛋白質,可以與氮結合,把氮運輸到根里。在根細胞的細胞膜上還能找到至少兩類不同的蛋白質,可以感覺到錳。對每一種大量元素和微量元素,科學家都識別出了能與它結合的特殊蛋白質。因此,每一個細胞都含有許多這樣的蛋白質,可以讓細胞識別和吸收土壤中各種各樣的礦物質。對人類來說,嘗味和營養吸收是彼此分離的生理過程,但與此相反,植物的受體與養分結合的過程可以讓養分內化,在整個植物體內運輸,這樣就把感覺、信號傳遞和營養吸收直接聯合在一起。
在某個具體時刻,植物可以調節某種礦物質的吸收量。比如說,當植物受到脅迫時,會更多地吸收某種可以幫助它們渡過難關的礦物質。舉個具體的例子:根據近期的一項研究,如果土壤的pH值變小,也即土壤變得較酸,擬南芥的根在感受到這一酸度變化之後,就會比正常條件吸收更多的鎂。這種土壤變酸的事件在農業生產中經常發生,是不合理施肥導致的後果。營養缺乏也會觸發植物的反應。比如生長在缺鐵環境中的擬南芥的根就會分泌香豆素之類化學物質,科學家認為它們要麼有與鐵結合的能力,要麼可以殺死附近那些能利用僅有的少量鐵的微生物,從而起到保護植物的作用。
植物能感知土壤中的礦物質,決定某種礦物質進入植物體的吸收量;就此而言,植物肯定知道它在幹什麼。根從土壤中吸水,通過木質部——裏面有植物輸水的「血管」——把水輸送到莖葉。根從土壤中獲取養分的過程以及養分在根細胞之間輸送的過程最終都要受到嚴密的生物調控。儘管在單個的根細胞之間,礦物質只能被動地吸收和溶解,但是根卻可以對礦物質進入木質部中輸水管的過程加以嚴密的調控。
為了理解根如何調節這個過程,我們需要了解一點根部結構的知識。如果你把胡蘿蔔橫向切成適於生吃的薄片,那麼你會在切片的中間看到一個圓環,叫作維管柱。維管柱含有許多木質部管道和韌皮部管道,前者把水分從根輸送到葉,後者把糖分沿著相反方向從葉輸送到根。(你可以做個便捷的小實驗:把胡蘿蔔片再分成幾個部位,看看哪個部位最甜。你會發現是胡蘿蔔片中部最甜,那裡就是韌皮部!)而如果你把胡蘿蔔縱向切開,則能看到維管柱貫穿了胡蘿蔔的全長。礦物質在向上輸送到植物地上部分之前,要先進入維管柱,再進入木質部管道,它們進入維管柱的第一步則是穿過名叫內皮層的薄薄的一層組織(沒有顯微鏡很難看清)。內皮層包圍在維管柱外面,而它本身在細胞外面又包有一圈蠟狀的物質,可以阻止任何水分和溶解其中的礦物質從細胞間隙滲入滲出。這樣一來,礦物質就必須穿過內皮層細胞的細胞膜,才能從內皮層外側到達內側,然後進入木質部。不僅如此,只有當內皮層細胞膜上存在某種礦物質的專門受體,而且處於活動狀態時,礦物質才能向內輸送。內皮層因此扮演了門衛的角色,可以通過調控來決定哪些礦物質能進入木質部、到達植物體其餘部分,哪些礦物質不能。因此,如果和我們自己的消化系統做個寬泛的比較的話,植物首先「嘗」到根表面的土壤中的礦物質,然後會在內皮層這裏最終決定哪些礦物質要充分地攝取、內化(就像我們自己的腸道也能調節養分的攝取一樣)。而在更基本的層次上,植株嘗味的機制與人類細胞維持礦物質內穩態的機制非常相似。

飲水的植物

我們都知道,光是吃東西還不足以讓人活下去。我們還需要水。植物也是如此。它們不光需要水來進行光合作用,而且和我們一樣要維持細胞的水平衡。一些植物把水用在微小的液壓泵中,以便移動它們的葉子,而所有植物的葉和莖都需要水來保持直立狀態。如果你忘記給家裡養的花澆水,那麼你會看到它們的葉子捲起,莖稈打蔫。這是因為植株細胞失去了水壓。根從土壤吸水,通過木質部把它運送到枝葉中。植株的需水量變化很大。正在生長的植株比休眠的植株需要更多水分;植株在炎熱的天氣中要比在涼爽的天氣中需要更多水分。水還能讓溶解其中的礦物質從根部輸送到需要礦物質的葉,或是讓溶解其中的糖分從葉輸送到根部。植物甚至還有獨特的出汗方式——蒸騰作用。植株在熱天會比在冷天損失更多水分,因為會有水在葉上蒸發,給它降溫。你是否曾經覺得奇怪——為什麼天然的禾草在大晴天也不會變熱,而人造的假草卻能燙得你難以立足?其實這就是蒸騰在發揮著作用。植株會因為蒸騰作用而持續不斷地失水。在單獨一個炎熱的夏日,一棵櫟樹就能蒸騰掉100多加侖的水!https://read.99csw.comread•99csw.com
當土壤水位下降時,根還能向植物體的綠色部位發出信號,植物就利用這個信息改變根繫結構。有趣的是,九-九-藏-書儘管你可能會認為植物在周圍水分不足的情況下會減緩生長速度,但在缺水初期,事實恰恰相反。植物在乾旱剛發生時經常會加快根向深層土壤生長的速度,以便搜尋新的水源。與此同時,植物又會停止淺層根系的生長,因為那裡的土壤通常最為乾旱。植物就這樣押上賭注,集中精力向最可能找到水的地方長去。雖然我們已經知道水如何進入植物細胞,但經過多年研究之後,科學界現在仍然只是剛剛開始了解植物如何感覺到水在哪裡、如何九*九*藏*書決定把根向深處扎去。
顯然,植物在土壤中能獲得多少水,和能獲得多少養分一樣,都會影響和限制它的生長。作為最先和土壤中的水和養分打交道的器官,根需要具備找到它們的能力,換句話說,要能在土壤中「嘗」到它們。
植物可以在向光性運動中感知到光,在向地性運動中感知到重力(也即植物可以區分上和下,我會在第六章中加以詳述)。科學家對與這兩種運動有關的分子機制已經了解得相當清楚了。然而,早在19世紀,偉大的植物學read•99csw•com家尤利烏斯·馮·薩克斯就最先描述了植物感覺到水、向水生長的現象,而這種向水性的機制仍然是個謎。我的朋友希勒爾·弗羅姆是特拉維夫大學植物科學與食品安全學院的研究者,他的團隊一直努力想解開這個謎。他們的研究表明,植物在乾燥沙土中穿行的根會向水源彎麴生長。令人意外的是,儘管生長素這種激素對於植物的向光彎曲至關重要,但根的向水彎曲卻並非受生長素控制。因此,雖然表面上看都是彎麴生長,但植物顯然有不止一種讓自己彎曲的機制。