SENSE隨筆131128植物看得見東西嗎?

SENSE隨筆131128
植物看得見東西嗎?
執筆人:蟬

種過盆栽的朋友都知道,植物是會向著陽光生長的。 大家可能直覺上覺得稀鬆平常,植物依靠光合作用生存, 即將陽光和二氧化碳透過葉綠素轉化成糖以提供養分,所以理應懂得“看光駛葉”。 但植物如何知道光源在哪裡呢?

植物的“視覺”
人依靠眼睛接收光線,經過感光細胞轉化成神經信號,並由大腦將映像重塑,讓人可以藉此反應世界。 眼睛的視網膜上有一層感光層,上面長有 視幹細胞Rod Cell和 視維細胞Cone Cell。 視幹細胞能接收光的強弱(無顏色);而視維細胞則細分為接收紅、綠和藍3種顏色光線的類型。 視網膜上有1億2千5百萬個視幹細胞和6百萬個視維細胞, 解析度大概和一台1億3千萬象素的數碼相機差不多。

達爾文早在其著作《The Power of Movement in Plants》中便提出幾乎所有植物都向著光源生長。 1864年他以 金絲雀虉草做實驗,發現植物生長的指向性只受藍光影響,此行為稱為「向光性Phototropism」。131128
這似乎證明了植物是“看”到光從哪裡來的,但為何只受藍光影響?

1918年美國農業部的科學家Garner與Allard研究一種叫Maryland Mammoth的煙草。 Mammoth的特別之處是它可以長得很高,提供很多煙葉。 但mammoth很少開花,令繁殖很困難。 科學家們試著在下午的時候把它放進陰暗的地方,以減少它受陽光照射的時間。

果然,減少日照時間令mammoth停止長高並開花。 這種因應日夜長短而反應的現象稱為「光周期現象photoperiodism」。*** 這個現象說明了植物知道日照時間的改變,並作出反應。 但究竟植物如何記住日夜的長短呢?

遠紅色的開關
花農在種植不同的花種時要控制它們的開花時間。 例如菊花在中國人的祭祀需求特別大,花農為了控制菊花在適當的時候開花,會在晚上以燈光照射屬於短日照植物short-day plant的菊花,阻止它們開花。 這個方法很直觀,但有趣的是晚上燈光照射的時候只需短短數分鐘便足夠***, 如果植物在計算日夜長短的話,應該不受影響才對。

1950年美國農業部的Borthwick進行了一連串實驗,嘗試找出到底植物“看”到甚麼顏色的光。 他發現一個相當有趣的情況:晚上只有以紅色的光去照射植物,才能影響開花的時間,其他顏色完全沒有效果。
接著他發現了更有趣的事情: 如果以 “遠紅外線”—即波長比紅色稍長的光線, 照射受紅光照射過的植物,紅光對它的效應便會中和。

植物對時間的感知方法,是以一個只受紅光和遠紅外光觸動的開關,來判斷是否已經入夜。****
原來在自然界,植物在天黑前見到的最後一種光線便是遠紅外光,而它體內這種被命名為「光敏色素phytochrome」的感光細胞,其運作與常識相反:它沒有記住日照的時間,它只記著黑夜的長短。***

遠古的產物:晝夜時鐘
植物學家和科學家嘗試找出究竟植物擁有多少種類的感光細胞, 但結果未能令人滿意。 直至80年代,荷蘭科學家Koornneef嘗試以 阿拉伯芥arabid(相等如動物實驗中的老鼠)培植出“失明”的植物,結果發現阿拉伯芥(和幾乎所有植物)擁有5類共11種感光細胞。***

相對於人只擁有5種感光細胞,植物的“視覺”在感知層面遠比人類複雜和先進。 人類依靠視覺建立圖像去了解世界, 植物的視覺則是針對它們的食物—光線的變化直接作出生理反應。 兩者的視覺系統極為不同,植物的光敏色素和人類視維細胞中的紅光視蛋白red photopsin雖然都用以接收紅色,但結構卻完全不同。

縱使如此,動物和植物在視覺系統裡還是可以找到演化的痕跡。 兩者都擁有藍光感光細胞「隱花色素cryptochrome」。 植物隱花色素的功能是控制「晝夜時鐘circadian clock」。***
與動物一樣, 晝夜時鐘指導植物的“生活”, 例如何時移動葉子和進行光合作用等。 隱花色素之所以接收藍光,是因為日出的第一線光是藍色的,人類亦倚賴相同的機制去調整內在的畫夜時鐘。

晝夜時鐘在動植物分界前早存在於單世胞生物, 最初的功能似乎是保護細胞避免受高濃度的UV輻射所損害。*** 在現今的細菌和真菌生物裡仍然可以找到它們的蹤蹟。

參考
《What a Plant Knows》, 2012, Daniel Chamovitz
本書入圍〈Amazon’s Ten Best Science & Math Books of 2012〉