有趣得讓人睡不著的植物

稻垣榮洋

植物的血型

人類和動物都有血液，那植物也有嗎？

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

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

人類有自己的血型。如果給植物也做個血型檢查的話，就會發現和人的血液一樣的反應物質——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。如果給植物進行血型檢查，會發現它們的血型多是O型和AB型的。舉個例子，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。

如果把豆科植物的根挖出來觀察，就會發現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。豆科植物為根瘤菌提供棲身之地和營養成分，作為回報，根瘤菌給植物進行固氮。豆科植物和根瘤菌這種互惠互利的關系，被稱為“共生”。

但是，豆科植物和根瘤菌的這種共生關系，也存在一些問題。

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

人類血液紅細胞中的血紅蛋白，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，可以高效地運輸氧氣。如果我們把新鮮的豆科植物的根瘤切開，就會看到像血一樣的紅色的東西滲出來，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。狗尾巴草的學名叫阿羅漢草。在炎炎夏日里，我們會發現，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，在小路旁生長的狗尾巴草即便沒有人來給它澆水，也能生長得格外茁壯。

實際上，狗尾巴草自身有著可以進行特殊光合作用的結構，這種高性能光合作用的系統被稱為“C4循環”，而擁有C4循環的植物則被稱為“C4植物”。

光合作用，是一種很高級的過程。就像汽車的發動機通過燃料的燃燒產生能量一樣，植物則通過吸收光能，使二氧化碳和水發生反應，產生出能量——糖分。這個過程就是光合作用。即使是發明出了復雜如發動機的人類，至今也沒能成功地研究出人工進行光合作用的方法。總是自認為很強大的人類，其實連一片葉子也造不出來。

一般的植物都是通過“C3循環”系統來進行光合作用的，所以被稱為“C3植物”。C4植物也可以通過C3循環進行光合作用，只不過除了C3循環，C4植物還擁有C4循環。

C4循環，其實就像汽車的渦輪發動機一樣。

渦輪發動機，可以通過渦輪增壓器來壓縮空氣，把大量空氣壓進發動機，從而提升發動機的輸出功率。光合作用的C4循環，就是將吸收進來的二氧化碳生成擁有4個碳元素的蘋果酸之類的C4化合物，然后再把它們送到C3循環那里。也就是說，植物通過C4循環壓縮了碳元素。因此，相較于C3植物，C4植物可以更好地進行光合作用。

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

就像渦輪發動機可以在高速行駛時發揮其特殊的功能，高性能的C4光合作用，也可以在炎炎夏日的高溫和強烈的光照下發揮出它獨特的潛能。

要想進行光合作用，光是必不可少的，光照越強，光合作用的效果就越好。但是，如果光照過于強烈，就會超出光合作用的能力范圍，使光合作用的效果停留在一個極限水平而無法更好，就像到達一定速度后，再怎么踩油門也無法加速的車一樣。但是，C4植物就不同了，就算是再強烈的光照，C4植物也可以通過生成C4化合物，連續不斷地進行光合作用。

C4植物還具有耐干燥的特性。植物為了進行光合作用，必須要打開氣孔來吸收二氧化碳，但是一旦氣孔打開了，水分也會從中溜走。C4植物會將氣孔打開后吸收的二氧化碳進一步濃縮，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。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，就是這個原因。

即使C4循環這么厲害，全世界的C4植物也僅僅占了植物總量的10% 左右，因為C4植物也是有缺陷的。

C4循環，可以在高溫強光的條件下發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循環不管吸收多少二氧化碳，光合作用的能力都沒辦法提高。而且為了運行C4循環，需要更多的能量支持，就效率來看，并不如C3植物。

因此，在熱帶地區，C4植物可以說有著壓倒性的優勢。但是，在溫帶或是寒冷地區，C4植物的這種優勢可就發揮不出來了。就像是在暢通路段上可以馬力全開、高速行駛的運動型轎車，到了需要緩慢行駛的擁擠路段，不僅不能發揮優勢，還會徒增油耗。

而像仙人掌這種在極度干燥的地方生存的植物，又將C4循環再度進化了。

在汽車發動機中，有一個和進氣、排氣閥門的開合大有關系的部分，叫“凸輪”（cam，指機械的回轉或滑動件）。高性能的汽車發動機會將凸輪分為進氣用和排氣用，擁有兩套凸輪軸，這種結構被稱為“雙頂置凸輪軸”結構。很巧的是，仙人掌擁有的這種用于干燥地區的光合作用系統，也被稱為“CAM”。植物的CAM，是景天科酸代謝（CrassulaceanAcid Metabolism，簡寫為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植物在進行光合作用時，減少了氣孔開合的次數，但是每次氣孔打開的時候水分還是會溜出去。CAM 植物則對這一點進行了改良優化。

光合作用需要的太陽光只在白天才有，但如果在白天的高溫下張開氣孔，水分就會很容易蒸騰出去。和C4植物一樣，CAM 植物也同時擁有C4循環和C3循環，但是，CAM植物只會在氣溫相對低的夜間打開氣孔，在氣溫相對高的白天則將氣孔完全關閉，靠儲存的碳元素進行光合作用。如此一來，通過白天和夜間這兩套不同的系統，CAM 植物可以成功地抑制水分的蒸發。這個系統和晚上用溫水來儲存熱能供白天使用的電熱水器的原理非常像。

像仙人掌這樣生長在干燥地區的植物，借由CAM 這種光合作用系統，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。