有趣得讓人睡不著的植物

稻垣榮洋

植物的血型

人類和動(dòng)物都有血液，那植物也有嗎？

我們把植物切開，它也不會(huì)像人一樣滴血，植物是沒(méi)有血液的。但是，植物中的葉綠素和我們血液里紅細(xì)胞中的血紅蛋白非常相似。

葉綠素和血紅蛋白的基本構(gòu)造都是一樣的。唯一的區(qū)別就是，葉綠素分子構(gòu)造的中心元素是鎂，而血紅蛋白分子構(gòu)造的中心元素是鐵。葉綠素和血紅蛋白的相似，只是個(gè)小小的偶然。植物和動(dòng)物雖然形態(tài)外貌極不相同，其實(shí)基本的生存機(jī)制差別不大。所以，植物和動(dòng)物有這些相似點(diǎn)，也不足為奇了。

人類有自己的血型。如果給植物也做個(gè)血型檢查的話，就會(huì)發(fā)現(xiàn)和人的血液一樣的反應(yīng)物質(zhì)——人的血型是由血液中的糖蛋白的種類決定的，而植物中，大約有10%擁有和人類相似的糖蛋白。如果給植物進(jìn)行血型檢查，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們的血型多是O型和AB型的。舉個(gè)例子，蘿卜和卷心菜的血型是O 型，而蕎麥的血型是AB 型。

豆科植物中，有一種名為豆血紅蛋白的成分，是和人類血液中的血紅蛋白非常相似的物質(zhì)。

如果把豆科植物的根挖出來(lái)觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)上面有很多又小又圓、像小瘤子一樣的東西，這些小瘤子叫“根瘤”，它里面住著一種叫“根瘤菌”的細(xì)菌。豆科的植物借助這種根瘤菌，可以吸收空氣中的氮，使它們即使在缺氮貧瘠的土地中也可以生長(zhǎng)。豆科植物為根瘤菌提供棲身之地和營(yíng)養(yǎng)成分，作為回報(bào)，根瘤菌給植物進(jìn)行固氮。豆科植物和根瘤菌這種互惠互利的關(guān)系，被稱為“共生”。

但是，豆科植物和根瘤菌的這種共生關(guān)系，也存在一些問(wèn)題。

為了給豆科植物固氮，根瘤菌需要耗費(fèi)很多能量。而為了產(chǎn)生這種能量，根瘤菌需要進(jìn)行有氧呼吸。也就是說(shuō)，氧氣是非常必要的，但是氧氣的存在又會(huì)使固氮所必需的酶喪失活性，就沒(méi)辦法進(jìn)行固氮。所以，豆科植物必須做到既要為根瘤菌運(yùn)送氧氣，又要將多余的氧氣快速消除。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，豆科植物自己生成了可以高效運(yùn)輸氧氣的豆血紅蛋白。

人類血液紅細(xì)胞中的血紅蛋白，可以高效地把氧氣從肺部輸送到全身，而豆科植物中的豆血紅蛋白也是如此，可以高效地運(yùn)輸氧氣。如果我們把新鮮的豆科植物的根瘤切開，就會(huì)看到像血一樣的紅色的東西滲出來(lái)，這就是豆科植物的血液——豆血紅蛋白。

渦輪增壓和狗尾巴草

大家都知道一種名為“狗尾巴草”的野草吧。狗尾巴草的學(xué)名叫阿羅漢草。在炎炎夏日里，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，就算是花壇里面每天都澆水的花朵、菜地里每天都澆水的蔬菜都枯萎了，在小路旁生長(zhǎng)的狗尾巴草即便沒(méi)有人來(lái)給它澆水，也能生長(zhǎng)得格外茁壯。

實(shí)際上，狗尾巴草自身有著可以進(jìn)行特殊光合作用的結(jié)構(gòu)，這種高性能光合作用的系統(tǒng)被稱為“C4循環(huán)”，而擁有C4循環(huán)的植物則被稱為“C4植物”。

光合作用，是一種很高級(jí)的過(guò)程。就像汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃料的燃燒產(chǎn)生能量一樣，植物則通過(guò)吸收光能，使二氧化碳和水發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生出能量——糖分。這個(gè)過(guò)程就是光合作用。即使是發(fā)明出了復(fù)雜如發(fā)動(dòng)機(jī)的人類，至今也沒(méi)能成功地研究出人工進(jìn)行光合作用的方法?？偸亲哉J(rèn)為很強(qiáng)大的人類，其實(shí)連一片葉子也造不出來(lái)。

一般的植物都是通過(guò)“C3循環(huán)”系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行光合作用的，所以被稱為“C3植物”。C4植物也可以通過(guò)C3循環(huán)進(jìn)行光合作用，只不過(guò)除了C3循環(huán)，C4植物還擁有C4循環(huán)。

C4循環(huán)，其實(shí)就像汽車的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)一樣。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)渦輪增壓器來(lái)壓縮空氣，把大量空氣壓進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)，從而提升發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。光合作用的C4循環(huán)，就是將吸收進(jìn)來(lái)的二氧化碳生成擁有4個(gè)碳元素的蘋果酸之類的C4化合物，然后再把它們送到C3循環(huán)那里。也就是說(shuō)，植物通過(guò)C4循環(huán)壓縮了碳元素。因此，相較于C3植物，C4植物可以更好地進(jìn)行光合作用。

除了狗尾巴草，還有很多其他的植物也屬于C4植物。比如農(nóng)作物中的玉米，就是一種典型的C4植物。

就像渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以在高速行駛時(shí)發(fā)揮其特殊的功能，高性能的C4光合作用，也可以在炎炎夏日的高溫和強(qiáng)烈的光照下發(fā)揮出它獨(dú)特的潛能。

要想進(jìn)行光合作用，光是必不可少的，光照越強(qiáng)，光合作用的效果就越好。但是，如果光照過(guò)于強(qiáng)烈，就會(huì)超出光合作用的能力范圍，使光合作用的效果停留在一個(gè)極限水平而無(wú)法更好，就像到達(dá)一定速度后，再怎么踩油門也無(wú)法加速的車一樣。但是，C4植物就不同了，就算是再?gòu)?qiáng)烈的光照，C4植物也可以通過(guò)生成C4化合物，連續(xù)不斷地進(jìn)行光合作用。

C4植物還具有耐干燥的特性。植物為了進(jìn)行光合作用，必須要打開氣孔來(lái)吸收二氧化碳，但是一旦氣孔打開了，水分也會(huì)從中溜走。C4植物會(huì)將氣孔打開后吸收的二氧化碳進(jìn)一步濃縮，所以可以一次性吸收大量二氧化碳。如此，就減少了打開氣孔的次數(shù)。屬于C4植物的狗尾巴草即使在炎熱的夏日里也能夠茁壯生長(zhǎng)，就是這個(gè)原因。

即使C4循環(huán)這么厲害，全世界的C4植物也僅僅占了植物總量的10% 左右，因?yàn)镃4植物也是有缺陷的。

C4循環(huán)，可以在高溫強(qiáng)光的條件下發(fā)揮出非常厲害的光合作用能力，但是在低溫弱光的條件下，C4循環(huán)不管吸收多少二氧化碳，光合作用的能力都沒(méi)辦法提高。而且為了運(yùn)行C4循環(huán)，需要更多的能量支持，就效率來(lái)看，并不如C3植物。

因此，在熱帶地區(qū)，C4植物可以說(shuō)有著壓倒性的優(yōu)勢(shì)。但是，在溫帶或是寒冷地區(qū)，C4植物的這種優(yōu)勢(shì)可就發(fā)揮不出來(lái)了。就像是在暢通路段上可以馬力全開、高速行駛的運(yùn)動(dòng)型轎車，到了需要緩慢行駛的擁擠路段，不僅不能發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，還會(huì)徒增油耗。

而像仙人掌這種在極度干燥的地方生存的植物，又將C4循環(huán)再度進(jìn)化了。

在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中，有一個(gè)和進(jìn)氣、排氣閥門的開合大有關(guān)系的部分，叫“凸輪”（cam，指機(jī)械的回轉(zhuǎn)或滑動(dòng)件）。高性能的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)將凸輪分為進(jìn)氣用和排氣用，擁有兩套凸輪軸，這種結(jié)構(gòu)被稱為“雙頂置凸輪軸”結(jié)構(gòu)。很巧的是，仙人掌擁有的這種用于干燥地區(qū)的光合作用系統(tǒng)，也被稱為“CAM”。植物的CAM，是景天科酸代謝（CrassulaceanAcid Metabolism，簡(jiǎn)寫為CAM）的意思。雖然看上去和凸輪的英文名稱字母相同，意思卻大相徑庭。

C4植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，減少了氣孔開合的次數(shù)，但是每次氣孔打開的時(shí)候水分還是會(huì)溜出去。CAM 植物則對(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行了改良優(yōu)化。

光合作用需要的太陽(yáng)光只在白天才有，但如果在白天的高溫下張開氣孔，水分就會(huì)很容易蒸騰出去。和C4植物一樣，CAM 植物也同時(shí)擁有C4循環(huán)和C3循環(huán)，但是，CAM植物只會(huì)在氣溫相對(duì)低的夜間打開氣孔，在氣溫相對(duì)高的白天則將氣孔完全關(guān)閉，靠?jī)?chǔ)存的碳元素進(jìn)行光合作用。如此一來(lái)，通過(guò)白天和夜間這兩套不同的系統(tǒng)，CAM 植物可以成功地抑制水分的蒸發(fā)。這個(gè)系統(tǒng)和晚上用溫水來(lái)儲(chǔ)存熱能供白天使用的電熱水器的原理非常像。

像仙人掌這樣生長(zhǎng)在干燥地區(qū)的植物，借由CAM 這種光合作用系統(tǒng)，可以提高忍耐干燥的能力。除了仙人掌之外，景天和菠蘿也是非常具有代表性的CAM 植物。