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向日葵为什么一直向着太阳?
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向日葵究竟向不向日 方舟子 法学教授刘大生近日寄给我几篇文章,有的是法学文章,也有的是杂文。其中 有一组他写于1998年的文章《关于向日葵的陈述及对话》,大意是说经过他自己专 门的观察,发现向日葵并不像一般人认为的那样其花盘随着太阳转动;从逻辑上看 向日葵不可能转动,“那么粗硬的东西,怎么好随意转动呢?”;所有的工具书只 说向日葵转而不说它如何转,说明编撰者们在这个问题上是“囊中羞涩”,“肚里 无货”,根本说不出来。但是所有的工具书和教科书都说向日葵是向日的,欺骗了 全世界60亿人。他写了一篇《向日葵如何向日?》的文章揭穿这个大骗局,投了几 家报刊,都未被接受,只好拿到网上发表,也没有引起反响。他觉得很悲哀,“为 了反愚昧、反欺骗、反荒唐”,想在网上再次发表,呼吁“向日葵仅仅向东,向日 葵并不向日。中小学教师们,文学家们,科普作家们,工具书的编撰者们,请您们 慎重,不要再愚弄全人类了。” 其实只要观察过向日葵的人,都难免有同样的困惑,虽然未必像刘教授那么愤 怒。比如作家张抗抗写过一篇散文《向日葵》,她在天山脚下发现一大片背对着太 阳的向日葵,在夕阳西下时,“却依然无动于衷,纹丝不动,固执地颔首朝东,只 将那一圈圈绿色的蒂盘对着西斜的太阳。”不由发出一连串的疑问:“那众所周知 的向阳花儿,莫非竟是一个弥天大谎么?”“究竟是天下的向日葵,根本从来就没 有围着太阳旋转的习性,还是这天山脚下的向日葵,忽然改变了它的遗传基因,成 为一个叛逆的例外?”“它们一定是一些从异域引进的特殊品种,被天山的雪水滋 养,变成了向日葵种群中的异类?”……在我读幼儿园的时候,我家的阳台上曾种 过一株向日葵,我也曾奇怪它怎么是一动不动的,没有像儿歌唱的那样“葵花朵朵 向太阳”。不过我没有那么多疑问,只把原因归咎于没把向日葵种好。 向日葵原产北美洲,在1510年被西班牙殖民者带回欧洲,万历年间又由传教士 传入中国。西方博物学家都注意到向日葵的向日性,明末清初的学者在记载向日葵 时,也都特别提及其向日性,1688年出版的《花镜》说得更是详细:“向日葵,一 名西番葵。高一、二丈,叶大于蜀葵,尖狭多刻缺。六月开花,每杆顶上只一花, 黄办大心,其形如盘。随太阳回转,如日东升则花朝东,日中天则花直朝上,日西 沉则花朝西。”中国原来的葵指的是葵菜,也有向日性,唐宋诗人曾反复吟咏,如 杜诗:“葵藿倾太阳,物性固莫夺。”(藿的意思是豆叶)梅尧臣《葵花》诗: “此心生不背朝阳,肯信众草能翳之。”刘克庄诗《葵》:“生长古墙阴,,园荒 草木深。可曾沾雨露,不改向阳心。”可见自古以来“葵”就与“向阳”紧密联系 在一起。我怀疑向日葵的名称由刚传入时的“丈菊”、“西番菊”而改叫“向日葵”、 “西番葵”,即与其向日性有关,以致现在说的“葵花”变成专指向日葵,甚至使 某些注家误以为唐宋诗人所说的葵花也指向日葵了。 那么向日葵究竟向不向日?难道这真是一个几乎愚弄了所有人的大骗局?答案 是:要看处于什么生长阶段。像工具书那样笼统地说向日葵“常朝着太阳”,是不 准确的,这是引起无数人的误解、张抗抗的疑惑和刘大生的愤怒的原因。向日葵从 发芽到花盘盛开之前这一段时间,的确是向日的,其叶子和花盘在白天追随太阳从 东转向西,不过并非即时的跟随,植物学家测量过,其花盘的指向落后太阳大约12 度,即48分钟。太阳下山后,向日葵的花盘又慢慢往回摆,在大约凌晨3点时,又 朝向东方等待太阳升起。但是,花盘一旦盛开后,就不再向日转动,而是固定朝向 东方了。刘大生、张抗抗观察的是已盛开的向日葵,所以只看到它们一动不动地面 向东方。 绿色植物向日,实际上是为了充分地利用阳光进行光合作用,因此向日性实际 上是向光性。古人虽然很早就注意到植物的向日性(至迟在三国时期就已注意到, 曹植《求通亲亲表》说:“若葵藿之倾叶,太阳虽不为之回光,然终向之者,诚也。”),但只将之解释为“物性”,用来做比喻,却没有想到要用科学方法研究 其奥秘。最早研究植物向光性的是——还会有谁——生物学之父达尔文。他在随贝 格尔号环球旅行时,随身带了几只鸟,为了喂养这些鸟,又在船舱中种了一种叫草 芦的草。船舱很暗,只有窗户透射进阳光,达尔文注意到,草的幼苗向窗户的方向 弯曲、生长。但后来几十年间,达尔文忙着创建进化论,直到其晚年,才着手进行 一系列实验研究向光性的问题,在1880年出版的《植物的运动力》一书中总结了这 些实验结果。达尔文是用草的种子做这些实验的。草的种子发芽时,胚芽外面套着 一层胚芽鞘,胚芽鞘首先破土而出,保护胚芽在出土时不受损伤。达尔文发现胚芽 鞘是向光性的关键。如果把种子种在黑暗中,它们的胚芽鞘将垂直向上生长。如果 让阳光从一侧照射秧苗,胚芽鞘则向阳光的方向弯曲。如果把胚芽鞘尖端切掉,或 用不透明的东西盖住,虽然光还能照射胚芽鞘,胚芽鞘也不再向光弯曲。如果是用 透明的东西遮盖胚芽鞘,则胚芽鞘向光弯曲,而且,即使用不透光的黑色沙土掩埋 胚芽鞘而只留出尖端,被掩埋的胚芽鞘仍然向光弯曲。达尔文推测,在胚芽鞘的尖 端分泌一种信号物质,向下输送到会弯曲的部分,是这种信号物质导致了胚芽鞘向 光弯曲。 达尔文的发现随后引起了生物学家们浓厚的兴趣。1913年,丹麦生物学家波义 森-简森(Peter Boysen-Jensen)进一步验证了达尔文的推测。他切下胚芽鞘的 尖端,在切面上放上一层凝胶,再把尖端放回去,胚芽鞘的向光性保持不变。但是 如果在中间放的不是凝胶而是不通透的云母片,向光性就消失了。而且,只有把云 母片插在切面背光的一面,才会防止向光性,如果是插在向光的一面,则向光性正 常。这就表明信号物质是从胚芽鞘尖端传递到胚芽鞘背光的一面,使那里的细胞 生长速度要比向光的一面快,导致弯曲。1918年帕尔(A. Paal)证实了波义森- 简森的结果。他在黑暗中切下胚芽鞘的尖端,用光照射该尖端后再放回胚芽鞘的切 面,但是放的时候偏离中心,放在一侧,他发现胚芽鞘生长时就往另一侧弯曲。 1925年索丁(H. Soding)发现,如果把胚芽鞘尖端切掉,则胚芽鞘的生长受抑制, 但是如果把切下的胚芽鞘尖端放回去,则胚芽鞘的生长恢复正常,表明胚芽鞘尖端 含有刺激细胞生长的信号物质。1926年,一名荷兰研究生文特(Fritz Went)用一 个简单的办法分离出了这种信号物质。他切下燕麦胚芽鞘的尖端,把它放在琼脂上 放数个小时,然后把琼脂放到胚芽鞘残部,发现琼脂能刺激胚芽鞘的生长,表明有 能刺激生长的物质从胚芽鞘尖端渗透到了琼脂中。这种物质后来被称为生长素。两 年后,文特发明了一种办法定量地测定生长素的活性。他把渗透了生长素的琼脂放 在燕麦胚芽鞘残部的一侧,在黑暗中,燕麦胚芽鞘将向另一侧弯曲。如此在黑暗中 生长一个半小时后,测定胚芽鞘的弯曲度,越弯曲,则说明琼脂中含有的生长素活 性越强(比如说,用的胚芽鞘尖端越多),这种测定法后来被称为燕麦测试法。文 特也发现,是生长素的不均匀分布导致植物的向光性。让光从一侧照射胚芽鞘尖端, 然后将胚芽鞘尖端切下放在两块琼脂上,在原来背光和向光的一侧各放一块。几个 小时后用燕麦测试法分别测定这两块琼脂所含生长素的活性,发现背光的那块几乎 是向光的那块的两倍。 那么这种生长素又是什么化学物质呢?可惜的是,胚芽鞘尖端所含的生长素的 量实在是太少的,没法将之提取、纯化和测定其化学结构。科学家们只能用从其他 来源提取的物质用燕麦测定法测定其生长素活性。1931年,荷兰科学家科格尔(Fritz Kogl)和哈根-史密特(Arie J. Haagen-Smit)首次从人尿中提取出了一种能刺激植物生长的物质,称之为生长素A(即三醇酸)。科格尔后来又从人尿中提取出了几种生长素,其中活性最强的是β-吲哚乙酸,这种物质实际上早在1885年被从发酵液中提取出来了,只不过人们当时不知道它是一种生长素。β-吲哚乙酸成了人们所发现的第一种真正的植物生长素,也是最主要的生长素。现在我们从分子水平上对生长素的作用机理有了一定的了解,不过有许多细节仍然搞不清楚。简单地说,是这样的:光(以蓝光最有效,用微弱的蓝光照射一、两秒就能引发向光性)照射到芽的尖端,被光受体(某种蛋白质,包括一种被称为趋光蛋白的黄素蛋白)吸收,激发生长素的合成。光同时刺激在向光面和背光面的生长素的合成,但是背光面的生长素合成量要高三倍。在芽尖合成的生长素经由维管组织向下传输,与细胞膜上 的蛋白质受体结合,刺激细胞壁拉长。由于背光面的生长素浓度较高,导致背光面 的细胞被拉得较长,从而朝着向光面弯曲。生长素还有许多特性,其中一种是:如 果含量太高,它将抑制而不是刺激植物的生长。 现在我们再回到向日葵。显然,向日葵的叶子和花盘之所以能朝着太阳转动,不必像刘教授设想的那样“除非在它的脖子上安装一个轴承”。在阳光的照射下, 生长素在向日葵背光一面含量升高,刺激背光面细胞拉长,从而慢慢地向太阳转动。 在太阳落山后,生长素重新分布,又使向日葵慢慢地转回起始位置,也就是东方。 在花盘盛开后,向日葵也停止了生长,而把花盘固定朝向东方。为什么最后要 面向东方而不是其他方向或朝上呢?这可能是自然选择的结果,对向日葵的繁衍有 益处。向日葵的花粉怕高温,如果温度高于30摄氏度,就会被灼伤,因此固定朝向 东方,可以避免正午阳光的直射,减少辐射量。但是,花盘一大早就受阳光照射, 却有助于烘干在夜晚时凝聚的露水,减少受霉菌侵袭的可能性,而且在寒冷的早晨, 在阳光的照射下使向日葵的花盘成了温暖的小窝,能吸引昆虫在那里停留帮助传粉。 通过以上的介绍,我想已足以消除刘大生、张抗抗以及某些观察过向日葵的大 人、小孩的困惑了。他们不轻信常识,能够自己做观察验证,敢于挑战权威,这是 难能可贵的。可惜的是他们的观察既不系统也不细致,又没能查阅足够的专业资料, 因此疑惑不解,甚至匆忙地得出了受骗的结论。在科学问题上,仅有探索、怀疑精 神是不够的。当然,一些辞书、科普文章不严谨的甚至错误的说法也要负一定的责 任,应该做出相应的修改。 2004.9.20 (载《科学世界》2004年第10期)
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