揭开植物睡眠之谜
2008/10/1 来源:百科知识 作者:吴 凡


  含羞草或合欢草等豆科植物白天打开叶子,傍晚它们又闭上叶子“睡觉”,这种由叶子的开闭引起的植物“睡眠运动”自古以来就受到人们关注。最早的记录可追溯到公元前4世纪留下的亚历山大大帝命令部下调查“植物何以睡眠”的记录。到了18世纪,法国的生物学家发现,即使将含羞草置于光射不进去的洞穴中,几天之中它仍持续以24小时为周期开闭叶片,也就是说它不受光等外部环境的影响,这说明在它体内存在周期性运动的“生物钟”。达尔文是最早对植物运动进行系统观察研究的科学家。他晚年被植物的多样性吸引,与儿子弗朗西斯一起仔细观察了300多种植物,在他去世前两年写了一本有关植物的睡眠运动、弯曲及旋转攀爬运动的巨著《植物的运动》,该书已成为经典名著。
  
  叶片开闭机制
  
  现在,科学家通过显微镜观察已经知道,植物的睡眠运动是由叶柄上一种叫做“运动细胞”的特殊细胞膨胀或收缩引起的。运动细胞吸水涨大后叶片就张开,运动细胞排出水缩小后叶子就会闭合。
  调节这种运动细胞的体积变化是在细胞膜的“钾通道”——根据生物钟按一定的时间周期开闭钾离子通道,伴随着钾离子从通道的出入,水或是进入细胞内或是跑出细胞外。其实,从20世纪初,许多研究者就考虑到存在控制这种叶片运动的生物物质,并尝试进行分离,但最终没有取得成功。
  20世纪80年代,德国一名科学家在报告中称发现一种名叫“太酷灵”的有机化合物,是控制叶片开闭运动的新的“植物激素”。这个报告引起全世界的关注,并把它与当时著名的植物生长激素“茁长素”或赤霉素并列为重大发现。
  与此同时,有些科学家也提出了异议,认为“太酷灵”分子内有显示强酸性的硫酸基,难以设想在中性植物体内有那样的强酸性物质以游离态存在。事实上,最近的研究也显示“太酷灵”对叶片开闭几乎不起任何激活作用。
  另一方面,从显示使叶子闭合的活性来说,专家认为“太酷灵”的活性与有机分子主题无关,仅是由其分子内硫酸基的酸刺激引起的。研究表明,当时德国科学家在分离过程中误把酸性当作激活条件,结果丢失了真正的生理活性物质。为此,专家在中性的条件下对真正的生理活性物质进行分离。
  
  控制植物运动的物质各不相同
  
  目前,科学家通过从植物提取的几千种化合物中萃取生理活性物质的分离实验,最终成功地分离出两种生理活性物质,并确定了它们的分子结构。一种是让植物叶片闭合的“睡眠物质”,另一种是让植物叶片张开的“觉醒物质”。植物的睡眠运动就是由这两种性质相反的物质控制的。
  由于事前谁也没有料到生理活性物质会是两个种类,为此在分离过程中不知不觉使它们之间相互否定,没能很快发现生理活性物质。后来开发了正确区分睡眠物质与觉醒物质的方法,才获得成功。这种分离法研究了10年之久,它从十几千克的物质中最终分离出的生理活性物质仅仅几毫克。
  迄今为止,科学家已经从含羞草、决明属、叶下珠属、铁扫帚、合欢属5种豆科植物中各自成对地分离出了“睡眠物质”与“觉醒物质”。每种植物的这些活性物质对于其他植物完全不起作用。例如即使将合欢属的“睡眠”或“觉醒”物质以10万倍的浓度作用于含羞草,也完全没有效果。
  这说明每种植物的生理活性物质都不一样。这一发现推翻了控制所有植物运动的生理活性物质都是相同的假说。
  另一方面,我们知道顶合欢、缅甸合欢、欧洲合欢分类上属于同一属的植物,故具有共同的生理活性物质。这样,控制睡眠运动的生理活性物质因所属而不一样,这说明睡眠运动这种现象是在进化中的某阶段获得的。
  
  睡眠物质结构
  
  那么,生物钟是怎样控制植物“睡眠运动”的呢?通过对叶下珠每隔4小时采集、萃取,测定其体内的生理活性物质的浓度变化,结果发现,“觉醒物质”的浓度几乎全天恒定,而“睡眠物质”的浓度却是白天减少,夜间增加。由此通过测定觉醒物质与睡眠物质的浓度平衡与否的变化,可以确定叶片是闭合还是张开。
  专家通过实验,还了解到睡眠物质的浓度变化起因于化学反应,并且彻底查明了叶下珠的睡眠物质由所谓配糖物组成。配糖物是由葡萄糖与总称为配质(糖苷中的非糖物)结合的化合物。
  白昼,因为配糖物的葡萄糖被水分分解成非糖物,所以睡眠物质浓度减小而叶片张开。一到夜里,葡萄糖再度与非糖物结合使睡眠物质激活,所以叶片闭合。即通过葡萄糖与非糖物粘合或分离,起到了叶片开闭运动的开关作用。专家认为这个开关由“β—葡萄糖苷酶”控制。
  另一方面,铁扫帚的情形与叶下珠的情形正相反,张开叶片的觉醒物质组成配糖物的结构,一旦到闭合叶片的傍晚。觉醒物质被水分解为非糖物,推动了活性,其结果是睡眠物质的浓度相对提高,叶片闭合。
  
  揭开生物钟之谜
  
  从以上结果,我们能够将由生物钟控制的睡眠运动调节机制归纳如下,即睡眠物质与觉醒物质都是糖苷结合在配基(非糖物)上的配糖物。一到某个特定的时间,生物钟让β—葡萄糖苷酶激活加水分解配糖物,结果两活性物质间的浓度平衡发生变化引起睡眠运动。再者,专家通过带荧光色素的生理活性物质实验,获知生理活性物质直接作用于植物叶枕部分的运动细胞。专家认为各植物的运动细胞膜仅对所属的生理活性物质存在受容器。这也说明,不是该植物的生理活性物质,由于没有所属的受容器,所以不起作用。
  
  让豆科植物“失眠”
  
  那么,豆科植物究竟为什么要睡眠呢?达尔文在《植物的运动》一书中称,是“为了保护身体免受夜间低温的侵袭,采用闭上叶片的睡眠的方法”。20世纪70年代生物钟理论权威则认为,是为了防止因月光引起生物钟的复位。
  不管植物“睡眠”是为了躲避夜间的低温还是夜间明亮的月光,这些说法都缺乏实验上的科学依据,也就是说人们一直不能制造出不“睡眠”即不闭合叶片的豆科植物。现在科学家终于可以让植物不“睡觉”了。他们合成了一种阻碍铁扫帚“睡眠”的物质,将这种物质作用于一株铁扫帚,果然它的叶片就张开了。这种植物由此患上了“失眠症”,叶片一直张开着。由于不睡觉,结果这株植物受到了伤害,两周后完全枯萎。这一实验也证明了“睡眠运动”是植物生存不可或缺的生命现象。
  
  环境和谐型农药
  
  通过豆科植物不睡眠就枯死的事实,以及生理活性物质每种植物都不一样,所以专家认为可以利用植物本来的生物现象开发出环境和谐型农药。例如,现在市场上出售的除草剂还达不到对豆科植物无害,仅使豆科的杂草枯死,而所谓睡眠运动阻断剂,就是仅使特定的植物患上失眠症枯死。
  在美国广阔的大豆地里,使用的是“侬多枯”除草剂,但是“侬多枯”对美国角合欢这样豆科的杂草不起作用。对此,科学家从生长在日本的同属角合欢取出生理活性物质,合成可导致角合欢失眠症的睡眠运动阻断剂,并将此投放到角合欢上,可以看到第三天就完全枯死。并且这种除草剂的使用对大豆庄稼的生长完全没有影响。另外,如果延长植物睡眠时间,其水分的蒸发将减少,那么,或许将来能够开发出有一定抗旱能力的庄稼。
  
  责任编辑:蒲 晖