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植物和人类一样有“视觉”

时间:2014-03-07 09:48   来源:中国台湾网

  为了生存,植物必须对周边视觉环境的动态了如指掌。为此它们需要知道光的方向、强度、持续时间和颜色。毫无疑问,植物可以察觉人类可见的(和不可见的)电磁波。我们只能感知波长范围较窄的一段电磁波,植物却能感知到波长更短或更长的电磁波。不过,尽管植物能看到的光谱的波长范围要比我们能看到的宽广得多,它们却看不到图像。植物没有神经系统,不能把光信号转化为图像,但是能够转化成调控生长的种种指示。植物没有眼睛,正如我们没有叶子15。但是我们和植物都能察觉到光。

  视觉不仅是察觉电磁波的能力,也是对这些电磁波做出反应的能力。我们的视网膜上的视杆细胞和视锥细胞察觉到光信号,把信息传递给大脑,然后我们便能够对这些信息做出反应。植物同样可以把视觉信号转换成生理上可识别的指令。达尔文种下的草如果只会用茎尖看到光是不够的——它们还得吸收这些光,然后通过某种方式转化成指令,告诉茎要弯曲。它们需要对光做出反应。由多种光受体产生的复合信号可以使植物能够在变化的环境中将其生长调节到最佳状态,这正如我们的四种光受体可以让我们的脑感知到图像,从而让我们能够解释周围变化的环境,并做出反应。

  从一个更宽广的视角来看,植物光敏色素和人类的感红光视蛋白并不是同一种光受体——虽然它们都吸收红光,却是不同的蛋白质,有着不同的化学成分。作为我们视觉媒介的光受体,只能在其他动物体内发现;作为一株黄水仙的视觉媒介的光受体,则只能在其他植物体内发现。当然,植物和人类的光受体在一点上是相似的——它们都由一种蛋白质和一种与之联结的能吸收光的化学染料构成。受自然法规的限制,光受体要发挥作用,肯定要采取这种结构。

  但是,每一条规则都有例外。尽管植物和动物已经各自独立演化了数十亿年,它们的视觉系统还是有一些相同之处。动物和植物都含有叫作隐花色素16的蓝光受体。植物体内的隐花色素不会引起向光效应,但在植物生长调控中,它可以行使其他几种功能,其中之一就是控制植物的生物钟。植物像动物一样,具有名为“昼夜节律钟”的生物钟,和正常的昼夜周期同步运转。对人类来说,这种生物钟调控了我们生命的各个方面,比如何时感到饥饿,何时需要洗澡,何时觉得筋疲力尽,何时又觉得精力十足。我们的身体及行为每日发生的这种变化叫作昼夜节律,因为即使把我们关在完全照不进阳光的封闭房间中,这些变化也仍然大致以24小时为周期循环往复。跨越半个地球的飞行会使我们的昼夜节律钟和昼夜信号不再同步,这就是时差反应。昼夜节律钟可以被光照重新调节,但这需要几天的时间。这也可以解释为什么待在室外有光照的地方要比待在阴暗的宾馆房间中能更快地把时差倒过来。

  隐花色素这种蓝光受体,主要的功能就是根据光照来重新调节我们的昼夜节律钟。隐花色素吸收蓝光,然后向细胞发出信号,表明现在是白天。植物同样也有内在的昼夜节律钟,可以调控许多生理过程,比如叶子的运动和光合作用。如果我们人为地改变植物的昼夜周期,它一样会有时差反应(虽然不会发脾气),需要花几天时间才能重新调整过来。比如说,如果植物叶片在正常情况下在傍晚合拢,在早晨张开,那么颠倒它的光暗周期会让它的叶片在黑暗中(本来应该是白天的时刻)张开,在光亮中(本来应该是夜晚的时刻)合拢。但这只是刚开始的情况,叶片的开合在几天之内就会调整到和新的光暗周期同步。

  正如果蝇和小鼠体内的隐花色素一样,植物隐花色素的主要功能也是使外界的光信号和生物钟相协调。在蓝光控制昼夜节律这个现象的分子水平上,植物和人类是用一模一样的办法“看到”蓝光的。隐花色素的功能居然如此恒定地保留下来,乍一看令人吃惊,但若从演化的视角来看就不觉得奇怪了。早在动物界和植物界分道扬镳之前,在单细胞生物中就已经演化出了昼夜节律钟。这种原始的昼夜节律钟的功能很可能是为了保护细胞免受高强度紫外线辐射的伤害。当这种早期的生物钟运行时,隐花色素的古老祖先监视着细胞周围的光环境,把细胞分裂调整到夜间进行。直到今天,在包括细菌和真菌在内的大多数单细胞生物中,仍然可以发现这种相对较为简单的生物钟。后来,以这种所有生物都共同具备的光受体为起点,生物的光感继续演化,便在植物和动物体内形成彼此有别、各具特色的两套视觉系统。

  摘自《植物知道生命的答案》

编辑:吴晓寒

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