植物如何“看見”光

房裕東

植物看似默默無聞，實則充滿智慧。它們沒有眼睛，卻知道太陽在哪里；知道什么時候日出，什么時候日落。那么，植物是如何“看見”光的呢？

在回答這個問題之前，我們需要了解光究竟是什么？光，本質上就是各種波長的電磁輻射，包括無線電波、微波、太赫茲輻射、紅外線、紫外線、可見光、X射線、γ射線等。不同波長的可見光具有不同的顏色，人類視覺可以感受的是波長為380～780納米的電磁波，通常有紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色。人眼里有一種感光細胞，它們接收到電磁波之后，可以產生神經沖動，繼而傳導至大腦，由此形成視覺。

不過，植物既沒有眼睛，也沒有大腦，它們是怎樣“看見”光的呢？

關于植物視覺的一系列重要研究源于一種神奇的煙草。在1906年的美國馬里蘭州，一棵普通的煙草最多能長出約20片煙葉，而同地的另一種煙草居然能長出近百片煙葉！

這種超高產的煙草自然受到了想增加產量的煙農的喜愛。由于這種煙草長得非常高大，所以人們將其稱為“猛犸煙草”。不過，“猛犸煙草”雖然不停地長高，卻很少開花結果，這意味著煙農無法收獲種子以供來年播種。為何長勢喜人的“猛犸煙草”，卻很少開花結果呢？

當地煙農將“猛犸煙草”移栽到溫室，并將好不容易搜集到的少量種子送到美國農業部，希望植物科學家們能幫助解答大家心中的疑惑。在那之后，兩位美國科學家，懷特曼·加納和哈利·阿拉德進行了十年的艱苦實驗。他們驗證了營養、溫度、濕度、光照強度等當時認為可能會產生影響的因素，卻依然沒能找到答案。直到1918年，他們決定試一試光照時間是否會影響開花結果的進程。

連續黑暗才是它的最愛

科學家們對兩株“猛犸煙草”分別進行了實驗：一株長時間置于室外；另一株上午置于室外，下午放進陰暗的室內。一段時間后，他們發現，第二株煙草比第一株提前開花了！這個實驗證明，縮短光照時間可以加快“猛犸煙草”的開花速度。

后來，科學家們又進一步通過實驗發現，如果給置于陰暗環境中的“猛犸煙草”進行短短30秒的突然光照，它不會出現提前開花的現象。這說明它并不是“記住”了白天有多長時間，而是“記住”了一晝夜中黑暗時間的長度。原來，“猛犸煙草”需要連續在黑暗中休息，而且只有連續休息的時間足夠長，它才可以開花結果；如果休息被打斷，那么之前的休息時間就不算，只能重新計算休息時間。

實驗進行至此，科學家們很想知道，植物是否跟人類一樣，能“看見”不同顏色的光。他們將選定植物的種子放到不同顏色的光線下以便觀察它們的萌發情況。結果發現，放在紅光下的種子萌發得特別快；而放在遠紅光下的種子萌發率卻異常低（紅光的波長為600～692納米，遠紅光的波長為692～730納米）。這個實驗顯示，紅光與遠紅光都能顯著調控種子的發育，但它們的調控作用與波長相反。

既然紅光和遠紅光對植物種子的生長發育有著相反的調控作用，那我們讓種子同時接受這兩種光（照的順序不同）的照射，會發生什么反應呢？實驗顯示，如果給種子先照紅光再照遠紅光，萌發會被明顯抑制；如果先照遠紅光再照紅光，種子又能萌發。類似的“紅光——遠紅光”循環可以重復數十次到上百次，而種子最終的反應總是由最后照的那種光來決定。

根據這一現象，科學家們提出一種假設：植物體內可能存在一種感光分子，這種感光分子就像植物的眼睛一樣，能夠“看見”外界的光是紅光還是遠紅光。當它“看見”紅光（或者白光，白光包含紅光）時，種子就萌發；當它“看見”遠紅光時（或者在黑暗中），種子則不萌發。種子的反應僅取決于它“看見”的最后一次光。這個假設具有劃時代的意義。

在此假設的基礎上，科學家們開始尋找這種感光分子到底是什么。植物研究領域中有一種被稱為“突變體庫”的倉庫，科學家們在這個庫里可以找到各種各樣的突變個體。科學家們對那些在有光的條件下卻“看不見”光的，不能正常生長的植物進行了大量研究。終于，1960年，這種感光分子被發現了，它被科學家命名為光敏色素（Phytochrome）。

經過幾十年的探索，現在我們已經知道，光敏色素是一種蛋白質，在植物體內存在兩種類型：紅光吸收型（Pr）和遠紅光吸收型（Pfr）。Pr是失活狀態，在黑暗中越來越多，在紅光或者白光的照射下可以迅速轉變為Pfr。Pfr是激活狀態，在黑暗或者遠紅光下可以慢慢轉變回Pr。

每天黑夜降臨后，植物體內的光敏色素會逐漸轉變為生理失活的紅光吸收型，告訴植物“這是黑夜，現在該休息了”。伴隨著清晨的第一縷陽光，光敏色素迅速轉變為遠紅光吸收型，讓植物開始一天的工作。植物通過計算光敏色素兩次轉化的時間，就能知道它度過了一個多長時間的黑夜，進而判斷是不是該開花結果。

光敏色素就像植物的眼睛一樣，非常重要。如果缺失了光敏色素，植物在看不見光的世界里是不能生長存活的。當然，植物不僅只有能“看見”紅光的眼睛，現在科學家們已經找到了植物能“看見”藍光、紫外光等不同光線的眼睛。

雖然植物沒有眼睛和大腦，但它卻可以通過光敏色素之類的感光分子“看見”世界的光明。看似平常的春華秋實，背后是植物體內各種感知和調控體系的共同作用。植物果真不簡單呢！