揭開植物睡眠之謎

吳　凡

含羞草或合歡草等豆科植物白天打開葉子，傍晚它們又閉上葉子“睡覺”，這種由葉子的開閉引起的植物“睡眠運(yùn)動”自古以來就受到人們關(guān)注。最早的記錄可追溯到公元前4世紀(jì)留下的亞歷山大大帝命令部下調(diào)查“植物何以睡眠”的記錄。到了18世紀(jì)，法國的生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使將含羞草置于光射不進(jìn)去的洞穴中，幾天之中它仍持續(xù)以24小時為周期開閉葉片，也就是說它不受光等外部環(huán)境的影響，這說明在它體內(nèi)存在周期性運(yùn)動的“生物鐘”。達(dá)爾文是最早對植物運(yùn)動進(jìn)行系統(tǒng)觀察研究的科學(xué)家。他晚年被植物的多樣性吸引，與兒子弗朗西斯一起仔細(xì)觀察了300多種植物，在他去世前兩年寫了一本有關(guān)植物的睡眠運(yùn)動、彎曲及旋轉(zhuǎn)攀爬運(yùn)動的巨著《植物的運(yùn)動》，該書已成為經(jīng)典名著。

葉片開閉機(jī)制

現(xiàn)在，科學(xué)家通過顯微鏡觀察已經(jīng)知道，植物的睡眠運(yùn)動是由葉柄上一種叫做“運(yùn)動細(xì)胞”的特殊細(xì)胞膨脹或收縮引起的。運(yùn)動細(xì)胞吸水漲大后葉片就張開，運(yùn)動細(xì)胞排出水縮小后葉子就會閉合。

調(diào)節(jié)這種運(yùn)動細(xì)胞的體積變化是在細(xì)胞膜的“鉀通道”——根據(jù)生物鐘按一定的時間周期開閉鉀離子通道，伴隨著鉀離子從通道的出入，水或是進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)或是跑出細(xì)胞外。其實，從20世紀(jì)初，許多研究者就考慮到存在控制這種葉片運(yùn)動的生物物質(zhì)，并嘗試進(jìn)行分離，但最終沒有取得成功。

20世紀(jì)80年代，德國一名科學(xué)家在報告中稱發(fā)現(xiàn)一種名叫“太酷靈”的有機(jī)化合物，是控制葉片開閉運(yùn)動的新的“植物激素”。這個報告引起全世界的關(guān)注，并把它與當(dāng)時著名的植物生長激素“茁長素”或赤霉素并列為重大發(fā)現(xiàn)。

與此同時，有些科學(xué)家也提出了異議，認(rèn)為“太酷靈”分子內(nèi)有顯示強(qiáng)酸性的硫酸基，難以設(shè)想在中性植物體內(nèi)有那樣的強(qiáng)酸性物質(zhì)以游離態(tài)存在。事實上，最近的研究也顯示“太酷靈”對葉片開閉幾乎不起任何激活作用。

另一方面，從顯示使葉子閉合的活性來說，專家認(rèn)為“太酷靈”的活性與有機(jī)分子主題無關(guān)，僅是由其分子內(nèi)硫酸基的酸刺激引起的。研究表明，當(dāng)時德國科學(xué)家在分離過程中誤把酸性當(dāng)作激活條件，結(jié)果丟失了真正的生理活性物質(zhì)。為此，專家在中性的條件下對真正的生理活性物質(zhì)進(jìn)行分離。

控制植物運(yùn)動的物質(zhì)各不相同

目前，科學(xué)家通過從植物提取的幾千種化合物中萃取生理活性物質(zhì)的分離實驗，最終成功地分離出兩種生理活性物質(zhì)，并確定了它們的分子結(jié)構(gòu)。一種是讓植物葉片閉合的“睡眠物質(zhì)”，另一種是讓植物葉片張開的“覺醒物質(zhì)”。植物的睡眠運(yùn)動就是由這兩種性質(zhì)相反的物質(zhì)控制的。

由于事前誰也沒有料到生理活性物質(zhì)會是兩個種類，為此在分離過程中不知不覺使它們之間相互否定，沒能很快發(fā)現(xiàn)生理活性物質(zhì)。后來開發(fā)了正確區(qū)分睡眠物質(zhì)與覺醒物質(zhì)的方法，才獲得成功。這種分離法研究了10年之久，它從十幾千克的物質(zhì)中最終分離出的生理活性物質(zhì)僅僅幾毫克。

迄今為止，科學(xué)家已經(jīng)從含羞草、決明屬、葉下珠屬、鐵掃帚、合歡屬5種豆科植物中各自成對地分離出了“睡眠物質(zhì)”與“覺醒物質(zhì)”。每種植物的這些活性物質(zhì)對于其他植物完全不起作用。例如即使將合歡屬的“睡眠”或“覺醒”物質(zhì)以10萬倍的濃度作用于含羞草，也完全沒有效果。

這說明每種植物的生理活性物質(zhì)都不一樣。這一發(fā)現(xiàn)推翻了控制所有植物運(yùn)動的生理活性物質(zhì)都是相同的假說。

另一方面，我們知道頂合歡、緬甸合歡、歐洲合歡分類上屬于同一屬的植物，故具有共同的生理活性物質(zhì)。這樣，控制睡眠運(yùn)動的生理活性物質(zhì)因所屬而不一樣，這說明睡眠運(yùn)動這種現(xiàn)象是在進(jìn)化中的某階段獲得的。

睡眠物質(zhì)結(jié)構(gòu)

那么，生物鐘是怎樣控制植物“睡眠運(yùn)動”的呢?通過對葉下珠每隔4小時采集、萃取，測定其體內(nèi)的生理活性物質(zhì)的濃度變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，“覺醒物質(zhì)”的濃度幾乎全天恒定，而“睡眠物質(zhì)”的濃度卻是白天減少，夜間增加。由此通過測定覺醒物質(zhì)與睡眠物質(zhì)的濃度平衡與否的變化，可以確定葉片是閉合還是張開。

專家通過實驗，還了解到睡眠物質(zhì)的濃度變化起因于化學(xué)反應(yīng)，并且徹底查明了葉下珠的睡眠物質(zhì)由所謂配糖物組成。配糖物是由葡萄糖與總稱為配質(zhì)(糖苷中的非糖物)結(jié)合的化合物。

白晝，因為配糖物的葡萄糖被水分分解成非糖物，所以睡眠物質(zhì)濃度減小而葉片張開。一到夜里，葡萄糖再度與非糖物結(jié)合使睡眠物質(zhì)激活，所以葉片閉合。即通過葡萄糖與非糖物粘合或分離，起到了葉片開閉運(yùn)動的開關(guān)作用。專家認(rèn)為這個開關(guān)由“β—葡萄糖苷酶”控制。

另一方面，鐵掃帚的情形與葉下珠的情形正相反，張開葉片的覺醒物質(zhì)組成配糖物的結(jié)構(gòu)，一旦到閉合葉片的傍晚。覺醒物質(zhì)被水分解為非糖物，推動了活性，其結(jié)果是睡眠物質(zhì)的濃度相對提高，葉片閉合。

揭開生物鐘之謎

從以上結(jié)果，我們能夠?qū)⒂缮镧娍刂频乃哌\(yùn)動調(diào)節(jié)機(jī)制歸納如下，即睡眠物質(zhì)與覺醒物質(zhì)都是糖苷結(jié)合在配基(非糖物)上的配糖物。一到某個特定的時間，生物鐘讓β—葡萄糖苷酶激活加水分解配糖物，結(jié)果兩活性物質(zhì)間的濃度平衡發(fā)生變化引起睡眠運(yùn)動。再者，專家通過帶熒光色素的生理活性物質(zhì)實驗，獲知生理活性物質(zhì)直接作用于植物葉枕部分的運(yùn)動細(xì)胞。專家認(rèn)為各植物的運(yùn)動細(xì)胞膜僅對所屬的生理活性物質(zhì)存在受容器。這也說明，不是該植物的生理活性物質(zhì)，由于沒有所屬的受容器，所以不起作用。

讓豆科植物“失眠”

那么，豆科植物究竟為什么要睡眠呢?達(dá)爾文在《植物的運(yùn)動》一書中稱，是“為了保護(hù)身體免受夜間低溫的侵襲，采用閉上葉片的睡眠的方法”。20世紀(jì)70年代生物鐘理論權(quán)威則認(rèn)為，是為了防止因月光引起生物鐘的復(fù)位。

不管植物“睡眠”是為了躲避夜間的低溫還是夜間明亮的月光，這些說法都缺乏實驗上的科學(xué)依據(jù)，也就是說人們一直不能制造出不“睡眠”即不閉合葉片的豆科植物。現(xiàn)在科學(xué)家終于可以讓植物不“睡覺”了。他們合成了一種阻礙鐵掃帚“睡眠”的物質(zhì)，將這種物質(zhì)作用于一株鐵掃帚，果然它的葉片就張開了。這種植物由此患上了“失眠癥”，葉片一直張開著。由于不睡覺，結(jié)果這株植物受到了傷害，兩周后完全枯萎。這一實驗也證明了“睡眠運(yùn)動”是植物生存不可或缺的生命現(xiàn)象。

環(huán)境和諧型農(nóng)藥

通過豆科植物不睡眠就枯死的事實，以及生理活性物質(zhì)每種植物都不一樣，所以專家認(rèn)為可以利用植物本來的生物現(xiàn)象開發(fā)出環(huán)境和諧型農(nóng)藥。例如，現(xiàn)在市場上出售的除草劑還達(dá)不到對豆科植物無害，僅使豆科的雜草枯死，而所謂睡眠運(yùn)動阻斷劑，就是僅使特定的植物患上失眠癥枯死。

在美國廣闊的大豆地里，使用的是“儂多枯”除草劑，但是“儂多枯”對美國角合歡這樣豆科的雜草不起作用。對此，科學(xué)家從生長在日本的同屬角合歡取出生理活性物質(zhì)，合成可導(dǎo)致角合歡失眠癥的睡眠運(yùn)動阻斷劑，并將此投放到角合歡上，可以看到第三天就完全枯死。并且這種除草劑的使用對大豆莊稼的生長完全沒有影響。另外，如果延長植物睡眠時間，其水分的蒸發(fā)將減少，那么，或許將來能夠開發(fā)出有一定抗旱能力的莊稼。

責(zé)任編輯：蒲暉