找尋“未來作物”

江豐

“未來世界會(huì)變得更好嗎”，關(guān)于這個(gè)問題的思考與討論是當(dāng)今許多科幻電影所熱衷的主題。隨著科技與工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于自然的利用與改造已經(jīng)變得十分廣泛和深入，人類的物質(zhì)生活也因此有了極大的提高。然而，對(duì)大自然肆無忌憚的索取與不計(jì)后果的開發(fā)也使得人類遭遇了前所未有的惡劣環(huán)境與生態(tài)危機(jī)。

所以，在科幻電影中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)環(huán)境極端惡劣的未來世界。在2014年熱映的美國(guó)科幻電影《星際穿越》中，我們的未來世界也被描繪成這樣一副模樣：茫茫大地一片干旱，灰塵漫天，由于環(huán)境惡化和奇怪疫病，人類最終只能夠依靠種植玉米來維持生存。那么，你可曾好奇過，為什么是玉米，為什么只有玉米能夠在荒蕪的未來世界里頑強(qiáng)生長(zhǎng)，成為人類不可或缺的“未來作物”？

玉米為何能成為“未來作物”

現(xiàn)如今，玉米已經(jīng)成為了影響人類社會(huì)發(fā)展的重要作物。目前全世界每年的玉米總產(chǎn)量達(dá)10億噸以上，遠(yuǎn)超我們的日常主食水稻的每年不到5億噸的總產(chǎn)量。雖然我們的日常飲食對(duì)玉米的需求量并不大，但玉米對(duì)于人類的畜牧業(yè)則是意義非凡。動(dòng)物飼料主要都是由玉米加工而成，我們所食用的畜產(chǎn)品，如肉、蛋、奶等可以說都是玉米的間接產(chǎn)物。另一方面，玉米可被發(fā)酵為乙醇，這既是一種重要的釀酒原料，也可以作為機(jī)械使用的能源。

從單位面積的產(chǎn)量上來說，玉米與小麥、水稻相比并沒有顯著的優(yōu)勢(shì)。但是，玉米卻具有后兩者所不具有的特點(diǎn)——更加耐熱、更加耐旱，這使得玉米更加適應(yīng)未來干旱、高溫的假想世界，這也許就是為什么編劇安排在電影《星際穿越》之中，環(huán)境惡化的地球上只剩下了玉米這一種作物。

植物們?nèi)绾文秃?、耐光與耐熱

水是生命之源，植物們也不例外。耐旱是未來作物的一大本領(lǐng)，我們常說開源節(jié)流，它們之所以能抗旱，得益于它們擁有比其他植物更發(fā)達(dá)的根系。通常，濕潤(rùn)土壤的含水量?jī)H為20%左右，在干旱的環(huán)境之中土壤的含水量會(huì)更低。因此想要汲取更多的水分，擁有能扎得足夠深的發(fā)達(dá)根系極為重要。并且，土壤中的水并不是簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單的清水，而是溶解了無機(jī)鹽（氮、磷、鉀等無機(jī)物）的“鹽水”，植物吸水主要依靠滲透原理，即利用不同液體之間的濃度差，根系細(xì)胞外低濃度的液體會(huì)主動(dòng)透過細(xì)胞膜進(jìn)入植物體內(nèi)。因此，植物的抗旱能力往往和根系中細(xì)胞溶液的濃度高低息息相關(guān)。

抗旱植物自身無法生產(chǎn)無機(jī)物，它們的根系往往依靠氨基酸、甜菜堿和甘露糖等物質(zhì)提高細(xì)胞液濃度來幫助根系吸水。其中，脯氨酸具有很高的水溶性，可以保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)，維持胞內(nèi)酶的結(jié)構(gòu)，減少胞內(nèi)蛋白質(zhì)的降解，脯氨酸的積累可以防止氮素的流失。目前，科學(xué)家通過已發(fā)現(xiàn)的這些原理和技術(shù)，在小麥中找到掌控脯氨酸積累的基因，并通過人工選擇，選育抗旱小麥。

與干旱相伴的往往還有強(qiáng)烈的光照，因此，耐強(qiáng)光、耐高熱是“未來作物”應(yīng)該具備的另一大本領(lǐng)。其實(shí)，光照本身是植物生長(zhǎng)所必備條件之一。作為植物生長(zhǎng)最為重要的光合作用，太陽光經(jīng)過葉綠體的加工產(chǎn)生能量與氧氣本是個(gè)和諧的過程，但是在強(qiáng)光下，氧氣分子中的電子對(duì)會(huì)被拆散，從而形成帶單個(gè)電子的超氧離子（自由基）。它們會(huì)搶奪周圍分子的電子以彌補(bǔ)自己所丟失的電子，從而破壞葉綠體和細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。而植物們?yōu)榱说挚惯@種強(qiáng)光照所帶來的破壞，常常通過自身體內(nèi)生產(chǎn)一種超氧化物岐化酶來保護(hù)自己，它會(huì)連同另一種過氧化物酶一起，給予自由基所需要的電子，把它們變成無害的水和氧氣。

抗旱植物為了盡量避免高溫所帶來的強(qiáng)烈蒸騰作用，在自身的葉片結(jié)構(gòu)上做出了特殊的改造。耐旱植物葉片的表皮就像保鮮膜一樣能包住水分，不讓它們逃離，有的甚至?xí)由舷炠|(zhì)層的保護(hù)，像保險(xiǎn)箱一樣把水分牢牢鎖住。同時(shí)，耐旱作物葉片上的氣孔密度比較小，一些植物（比如景天科植物），它們的氣孔通常只在夜間開放，將二氧化碳吸收并儲(chǔ)存起來，白天時(shí)再慢慢地在體內(nèi)釋放出來，進(jìn)行光合作用。

“未來植物”特殊的固碳技巧

玉米除了以上的基本特征之外，能成為“未來作物”還與它獨(dú)特的固碳方式有關(guān)。討論玉米之前，我們先來看看水稻與小麥的固碳方式：當(dāng)二氧化碳分子進(jìn)入水稻和小麥的細(xì)胞后，首先會(huì)和一種名為二磷酸核酮糖的含有5個(gè)碳原子的分子（記為C5）結(jié)合，產(chǎn)生2個(gè)含有3個(gè)碳原子的分子（記為C3），其中一個(gè)C3分子通過一系列反應(yīng)重新變?yōu)镃5分子，而另一個(gè)C3分子則被合成為含有6個(gè)碳原子的糖類。以這種方式固定二氧化碳的植物最初產(chǎn)物的碳原子數(shù)目是3個(gè)，因此就把通過這種方式固碳的植物命名為C3植物，它們催化最初C5與二氧化碳結(jié)合的酶，被稱為二磷酸核酮糖羧化酶。

然而，二磷酸核酮糖羧化酶有一個(gè)特點(diǎn)，它在二氧化碳濃度不足、光照過強(qiáng)或溫度過高的情況下，會(huì)選擇利用氧氣氧化C5分子，這個(gè)過程稱為光呼吸。這樣一來，非但不能固定二氧化碳，反而會(huì)消耗C5分子，這對(duì)于需要通過固定二氧化碳來生產(chǎn)有機(jī)物的植物來說，不得不說是一個(gè)重大損失。

玉米卻巧妙地規(guī)避了這一點(diǎn)。它的葉肉細(xì)胞分化為兩種類型，一類和小麥、水稻類似，松散分散在葉片之中，而另一類則緊密圍繞在葉脈周圍。在那些直接和空氣接觸的松散葉肉細(xì)胞內(nèi)，一種稱為磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的酶被用來催化并固定二氧化碳，這種酶對(duì)二氧化碳有很強(qiáng)的親和力，可以與二氧化碳相結(jié)合，將碳固定為一個(gè)具有4個(gè)碳原子的分子（記為C4）。而結(jié)合了二氧化碳的C4產(chǎn)物，則進(jìn)入包圍葉脈的細(xì)胞之中，在那里卸下二氧化碳，進(jìn)行和C3植物中類似的產(chǎn)生糖類的過程。二氧化碳被富集到了圍繞葉脈的細(xì)胞之中，此時(shí)二磷酸核酮糖羧化酶的氧化活性被細(xì)胞內(nèi)較高濃度的二氧化碳所抑制，這樣，就避免了上文所述的光呼吸這個(gè)過程的發(fā)生，光反應(yīng)所造成的碳損耗就遠(yuǎn)低于C3植物。

在未來的假想世界中，在高溫和強(qiáng)光下，地殼內(nèi)豐富的硅酸鹽的風(fēng)化將加快，大量二氧化碳在硅酸鹽風(fēng)化時(shí)被吸收，并固定于地殼之中。大量丟失的二氧化碳將造成地球碳循環(huán)的崩潰。那時(shí)，對(duì)二氧化碳依賴度高的C3植物很可能將因不能得到足夠的碳而“餓死”。而C4植物諸如玉米，卻能夠頑強(qiáng)低生存下去。同時(shí)，它們?cè)诟珊禃r(shí)可以部分地收縮氣孔孔徑，減少蒸騰失水，光合速率降低程度相對(duì)較小，提高水分在C4植物中的利用率。正是這些特性，使得C4植物在干熱地區(qū)有明顯的選擇上的優(yōu)勢(shì)。

還有哪些“未來作物”

除了玉米，還有哪些作物能被我們給予期望？作為公認(rèn)的耐旱能力最強(qiáng)的作物之一，高粱比玉米更適應(yīng)惡劣的環(huán)境。高粱擁有異常強(qiáng)悍的根系，可使植物充分吸收利用貯存在土壤中的水分。在生長(zhǎng)期內(nèi)，每株高粱的耗水量?jī)H為1.53千克，而玉米則需要2.32千克。同時(shí)它的葉片還具有發(fā)育良好的蠟質(zhì)層，通過提高對(duì)光輻射的反射率以降低蒸騰。高粱的細(xì)胞壁具有伸縮性，可以調(diào)節(jié)失水速率，并且高粱可以調(diào)節(jié)葉片綠葉期，延長(zhǎng)生長(zhǎng)期。

除此之外，甘蔗也屬于C4植物，它具有較高的光合效率，其本身合成的大量的蔗糖，可以直接被人類用于食品的生產(chǎn)，也是一種易種植的經(jīng)濟(jì)作物。

最后，也是最為重要的，就是我們要愛護(hù)地球，讓所有的植物都能夠健康蓬勃地生存下去，不要讓“未來作物”成為未來世界荒蕪大地上孤獨(dú)的堅(jiān)守者。