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顶天植物的成长史  

本文作者:史 军

世界上的所有树都有一个爱好,那就是努力向着太阳生长,在不断向上生长中展现了勃勃生机,于是,我们把玉树临风这样的词语都贴在了自己身上,也就是想借了树木们的几分精气神吧。

不过,世界上的树千姿百态,有的像白杨树一样挺拔,有的像龙爪槐一样苍虬,有的像垂柳一样飘逸,有的像油松一样坚韧。它们的的枝条也是或弯或直,或纤柔或坚硬,究竟是什么原因给了树木不同的造型,真的有一个神秘的园丁在打理这个世界的植物造型吗?

一切为了光

除了少数的像重寄生这样的寄生植物,以及像天麻这样的附生植物,绝大多数植物都对阳光充满了向往。没办法,阳光可是事关填饱它们肚皮的大事儿,一点都马虎不得。虽说,太阳光每时每刻都在为地球提供光能和热能,但是要想从中分一杯羹却绝非易事。可能有同学会说,太阳光到处都是,哪有那么困难啊。

如果你还体会不到这种竞争的残酷,一定要去雨林中感受一下光的珍贵。走进浓密的原始雨林,你的第一感觉绝对不是生机盎然,迎接你的是黑暗,一种近乎无边的黑暗,仿佛突然被扔进了一间只有门缝透光的黑屋子。在这样的森林里,我们甚至要把叶子凑近鼻尖,才能看见它们的真容。西双版纳雨林树冠层的辐射量为158.92瓦/平方米,而地面上的辐射只有12瓦/平方米。在这样阴暗的地面,只有苔藓和部分蕨类能够好好生长,所以,在原始森林中看到遍地鲜花,完全就是臆想了。为了获得更多的阳光,植物们只有向上长高拼个头了。柚木可以达到40米,望天树的可以达到60米,而生活在北美太平洋沿岸的巨杉树可以轻松达到80米。这就是竞争光的世界。所以,森林中大树都在笔直地向上生长。

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如果光照充足,大树们就是另一个模样了。在非洲草原上,大树高不过10米,很少有大树憨憨地直冲云霄,而是像一把把张开的大伞,尽可能地吸收太阳的光芒。因为在这里,树木之间很少出现摩肩接踵的情况,只要长得比草高,就可以享受阳光了。

问题是,大树们是如何知道该向上生长,又是如何知道该撑开树冠大伞的呢?

控制生长的激素

对光的向往,让植物有了对光的敏感。这么说似乎不大对,准确的说法是,那些对光照不敏感的植物全都死掉了。在这里不得不提到一些经典的实验,早在1881年,达尔文就研究过植物为何向光生长,植物幼芽不出意外地弯向了光源。1928年,荷兰植物学家温特(Frits Warmolt Went)把一盆燕麦苗关在小黑屋里,经过一段时间之后,在一侧用特殊的光照射它们,结果这些燕麦苗向着光弯曲了,通过分析发现,向光一侧的生长素减少了,而背光一侧的生长素增多了,所以背光方向的细胞分裂地更快,于是燕麦芽就弯向了光照方向。

实际上,生长素在很大程度上决定了植物生长方向。不光是光照的方向,同时还有茎杆指向天空的方向。有一种学说认为,当植物处于重力环境下时,其中的带电物质会因为重力而分布,它们的不同部位会产生电势差。在这种电的吸引下,生长素也会集中在靠近地面的部位,这样以来,向地一侧的细胞就会比背地一侧的细胞分裂迅速。你可以想象,不断地再路基底部垫土,最终的结果你就是形成了冲向天空的小土包。结果,就是茎杆努力地离开地面,向着天空生长了。

不过,植物的感受系统似乎并不这么简单。

细胞中的平衡石

我们在建筑工地上经常会用到一种工具,把一根绳子系在铅坠上,然后拎起绳子让铅坠自然下垂,就能知道墙体是不是跟地面垂直了。这就是一个简单的测量重力方向的工具。其实,植物体内也有类似的“铅坠”。

虽然植物细胞中装不下大铅坠,但是植物细胞中确实有很多可以感受到地球引力的“重物”——淀粉粒就是其中之一。在植物细胞中,绝大部分空间被细胞质和液泡(细胞液)占据着,这些结构的含水量极高,密度自然也不高。相比之下,其中的淀粉颗粒就重多了。虽然葡萄糖才是生命的通用能源,但是一般来说,植物细胞中都会以淀粉的形式为自己储存一些养料,就像我们人体会贮藏糖原和脂肪一样。当光合作用供给不足的时候,植物才会开始吃老本,消耗淀粉储备。于是,这些积累下来的淀粉粒就会慢慢积累起来,并沉积到细胞的下部。植物细胞膜和会感受到淀粉粒的压力,细胞膜上的钙离子通道被打开。在经过一系列复杂的“细胞通讯”之后,钙的信号变成了生长素的运输,那些源源不断运进细胞的生长素促进了细胞的生长。于是,植物就能辨别出重力的方向,向上生长了。

但是,植物细胞并不像动物细胞那样是一团团软软的细胞膜和原生质体,它们都有坚挺的细胞壁,这些细胞壁究竟那儿该厚,哪儿该薄,就不是简单的淀粉颗粒可以控制的了了。

纤细的感受骨架

实际上,细胞中的淀粉粒“铅坠”真的是绑在一些丝线上的,这些神秘的丝线就细胞中的微丝和微管结构。虽然,看起来细胞就是一个大口袋,里面混装了很多细胞质,细胞液和细胞器,但是,它们的分布真的是有规则的。试想那些产生能量线粒体和产生蛋白质的内质网成天跑来跑去,乱成一锅粥,势必降低工作效率,可不是什么好事儿。所以这些细胞器是被一些叫微丝和微管的结构固定在一定的位置上。附带说一下,很多微管还承担着细胞内物质运输高速公路的重任,特殊的运输蛋白质扛着装载了胰岛素,氨基酸之类物质的囊泡在这些高速公路上飞驰。

我们回过头来看,除了细胞器,有有很多淀粉粒也被捆绑在这些细胞骨架之上,于是整个细胞都能感受重力的影响,从而让细胞把纤维素装到合适的位置上去。而在失重试验中,科学家发现纤维素的装配和排列方式完全混乱了,细胞壁的厚度和延展性都会收到影响。在这个过程中,微管组成的细胞骨架可能发挥了很重要的作用。

虽然对重力的感受决定了所有树木向太阳,但是究竟是不是撑开树冠,如何撑开树冠还是问题。

为什么不分叉

仔细观察一下身边的大树,就会发现它们分叉的方式还真是不一样。

像白杨树和雪松这样的大树会一直向上生长,旁边的枝枝杈杈似乎都装饰物,根本会不会影响主干直冲云霄。这种有一条主干,然后在主干上次序分枝的方式叫单轴分枝。一般来说,那些巨型树木都遵循这种分枝方式,像巨杉,银杏,山毛榉皆是如此。

而像苹果,桃子,樱桃树这样的树木,它们主轴就不给力了。在生长到一定程度的时候,顶芽生长就会停止,在其下方的一个侧芽会取代顶芽的地位,继续生长,过段时间之后又会被新的侧芽所替代。于是,长成了一个树冠庞大,但是个头比较低矮的树了。

之所以有这样不同分枝方式,主要是由顶芽分泌的生长素和根部分布的细胞分裂素决定的。也许有同学会问,生长素不是可以促进植物的生长吗?情况没有这么简单,当生长素浓度过高时,反而会抑制植物的生长。所以顶芽产生的生长素,会源源不断地运送到侧芽部位,它们就只能生活在顶芽的阴影之下了。像白杨树这样的植物,除非顶芽因为意外死去,否则侧芽是永无出头之日的。

在合轴分枝的植物中,顶芽活跃一段时间后就退休了,所以,不断有侧芽顶替它们的位置。至于顶芽是什么时候停止生长,或者什么时候变成开花的位置仍旧是个谜。不管怎么说,这些树木的侧芽有更多的出头的机会,所以从整体上看,它们就是一个比较低的主干和比较丰满的树干了。

这些树木的不同形态究竟是如何被精确调控的,到目前为止,我们还没有一个确切的答案,但是有一点我们可以肯定,那就是这些形态最有利于物种存货。那些单轴分枝的树木通常是风媒花,所以需要长得更高才有利于散播花粉,同时它们的生长年限都很长,为了争得阳光更需要保持自己个头的优势,这样才能在残酷的竞争中生存下去。而苹果,樱桃这些果树要依靠昆虫来传播花粉,对它们来说增加分枝的数量,为花和果提供生长的平台,才是生存接下去的第一要务。

至于一些自然环境,比如冰雪的对枝条的压力,台风对树冠的侵袭,都会影响到树木的形态。雪松的锥形树冠正是这种选择的结果。

这样看来,一棵苍天大树的模样,或挺拔,或苍虬,都是自然选择的结果。我们今天看到的整个植物世界,都是在生存斗争之后的胜利者,而这场战争还将持续下去。

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