找尋“未來作物”

江豐

“未來世界會變得更好嗎”，關于這個問題的思考與討論是當今許多科幻電影所熱衷的主題。隨著科技與工業的不斷發展，人們對于自然的利用與改造已經變得十分廣泛和深入，人類的物質生活也因此有了極大的提高。然而，對大自然肆無忌憚的索取與不計后果的開發也使得人類遭遇了前所未有的惡劣環境與生態危機。

所以，在科幻電影中，經常會出現環境極端惡劣的未來世界。在2014年熱映的美國科幻電影《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生長，成為人類不可或缺的“未來作物”？

玉米為何能成為“未來作物”

現如今，玉米已經成為了影響人類社會發展的重要作物。目前全世界每年的玉米總產量達10億噸以上，遠超我們的日常主食水稻的每年不到5億噸的總產量。雖然我們的日常飲食對玉米的需求量并不大，但玉米對于人類的畜牧業則是意義非凡。動物飼料主要都是由玉米加工而成，我們所食用的畜產品，如肉、蛋、奶等可以說都是玉米的間接產物。另一方面，玉米可被發酵為乙醇，這既是一種重要的釀酒原料，也可以作為機械使用的能源。

從單位面積的產量上來說，玉米與小麥、水稻相比并沒有顯著的優勢。但是，玉米卻具有后兩者所不具有的特點——更加耐熱、更加耐旱，這使得玉米更加適應未來干旱、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，環境惡化的地球上只剩下了玉米這一種作物。

植物們如何耐旱、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，我們常說開源節流，它們之所以能抗旱，得益于它們擁有比其他植物更發達的根系。通常，濕潤土壤的含水量僅為20%左右，在干旱的環境之中土壤的含水量會更低。因此想要汲取更多的水分，擁有能扎得足夠深的發達根系極為重要。并且，土壤中的水并不是簡簡單單的清水，而是溶解了無機鹽（氮、磷、鉀等無機物）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，根系細胞外低濃度的液體會主動透過細胞膜進入植物體內。因此，植物的抗旱能力往往和根系中細胞溶液的濃度高低息息相關。

抗旱植物自身無法生產無機物，它們的根系往往依靠氨基酸、甜菜堿和甘露糖等物質提高細胞液濃度來幫助根系吸水。其中，脯氨酸具有很高的水溶性，可以保護細胞膜系統，維持胞內酶的結構，減少胞內蛋白質的降解，脯氨酸的積累可以防止氮素的流失。目前，科學家通過已發現的這些原理和技術，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烈的光照，因此，耐強光、耐高熱是“未來作物”應該具備的另一大本領。其實，光照本身是植物生長所必備條件之一。作為植物生長最為重要的光合作用，太陽光經過葉綠體的加工產生能量與氧氣本是個和諧的過程，但是在強光下，氧氣分子中的電子對會被拆散，從而形成帶單個電子的超氧離子（自由基）。它們會搶奪周圍分子的電子以彌補自己所丟失的電子，從而破壞葉綠體和細胞膜的結構。而植物們為了抵抗這種強光照所帶來的破壞，常常通過自身體內生產一種超氧化物岐化酶來保護自己，它會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烈蒸騰作用，在自身的葉片結構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，有的甚至會加上蠟質層的保護，像保險箱一樣把水分牢牢鎖住。同時，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存起來，白天時再慢慢地在體內釋放出來，進行光合作用。

“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”還與它獨特的固碳方式有關。討論玉米之前，我們先來看看水稻與小麥的固碳方式：當二氧化碳分子進入水稻和小麥的細胞后，首先會和一種名為二磷酸核酮糖的含有5個碳原子的分子（記為C5）結合，產生2個含有3個碳原子的分子（記為C3），其中一個C3分子通過一系列反應重新變為C5分子，而另一個C3分子則被合成為含有6個碳原子的糖類。以這種方式固定二氧化碳的植物最初產物的碳原子數目是3個，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特點，它在二氧化碳濃度不足、光照過強或溫度過高的情況下，會選擇利用氧氣氧化C5分子，這個過程稱為光呼吸。這樣一來，非但不能固定二氧化碳，反而會消耗C5分子，這對于需要通過固定二氧化碳來生產有機物的植物來說，不得不說是一個重大損失。

玉米卻巧妙地規避了這一點。它的葉肉細胞分化為兩種類型，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胞內，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，這種酶對二氧化碳有很強的親和力，可以與二氧化碳相結合，將碳固定為一個具有4個碳原子的分子（記為C4）。而結合了二氧化碳的C4產物，則進入包圍葉脈的細胞之中，在那里卸下二氧化碳，進行和C3植物中類似的產生糖類的過程。二氧化碳被富集到了圍繞葉脈的細胞之中，此時二磷酸核酮糖羧化酶的氧化活性被細胞內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過程的發生，光反應所造成的碳損耗就遠低于C3植物。

在未來的假想世界中，在高溫和強光下，地殼內豐富的硅酸鹽的風化將加快，大量二氧化碳在硅酸鹽風化時被吸收，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的崩潰。那時，對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，卻能夠頑強低生存下去。同時，它們在干旱時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植物在干熱地區有明顯的選擇上的優勢。

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？作為公認的耐旱能力最強的作物之一，高粱比玉米更適應惡劣的環境。高粱擁有異常強悍的根系，可使植物充分吸收利用貯存在土壤中的水分。在生長期內，每株高粱的耗水量僅為1.53千克，而玉米則需要2.32千克。同時它的葉片還具有發育良好的蠟質層，通過提高對光輻射的反射率以降低蒸騰。高粱的細胞壁具有伸縮性，可以調節失水速率，并且高粱可以調節葉片綠葉期，延長生長期。

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，也是一種易種植的經濟作物。

最后，也是最為重要的，就是我們要愛護地球，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的堅守者。