触及灵魂的美丽科学

魔云兽
2013-12-25 看过
我记得豆瓣上曾经有一个很好玩的帖子,内容只有两句话:

向日葵白天跟着太阳转,从东边到西边,那晚上干什么呢?
而且太阳下山时它头在西边,第二天早上怎么回到东边去?一个甩~~~头吗???

迅速脑补后,大家纷纷被戳中笑点,当然也有观众认真去解答了这个问题。向日葵当然不会甩头,由于植物有向光性,又有生长素的作用,所以向日葵会随着日照而改变自己朝向,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。

如果你满足这个答案,说明你好奇心还不是非常强烈。好奇心强烈的人应该不满足于此,应该会提出诸如此类的问题:植物的向光性到底是怎么回事,它们用什么来看到光。生长素到底是什么东西,它们是如何作用于植物的。等等等等。历史上拥有这些好奇心的家伙很多成为出色的植物学家,为人类知识体系的丰富做出了卓越的贡献。

我们现在所知道的植物学常识,看起来非常简单。但是得到那个结论,背后所蕴含的过程与智慧是大部分人所不知道的。读这本《植物知道生命的答案》会给你一种探索新地图的感觉,它不光告诉你结论,他会告诉你这个结论是如何一点点得出来的,每一点点的进步都需要科学家有一颗细致的心和强大的科学思维以及一点点运气。接下来我举个例子。

植物每时每刻都在变化姿势,但是肉眼是看不清的。达尔文通过长时间的留意发现植物并不是静止的,它的茎尖貌似在做运动。于是达尔文把一块板子挂在一株植物的上面,然后隔几分钟就记录一下茎尖的位置。连续几天下来,就得到一群不同位置的点,按照时间顺序可以明显勾勒出来,茎尖在做一种回旋式转头运动。(那时候还没有延时摄影)

有一些植物的这种运动还很疯狂。比如蚕豆苗,它画的圆圈半径有10厘米。而另外一些植物就略呆滞,比如草莓的枝条只能以毫米计。郁金香大约四个小时转一圈,一种叫做拟南芥的茎转一圈短的要15分钟,长的要24小时。

而且更有趣的是这种运动还会受外界因素影响,比如一个波兰科学家玛丽亚•斯托拉尔兹就很奇葩,她用打火机去烧向日葵的叶子,然后发现向日葵绕圈的速度竟然加速了。

达尔文发现这个旋转的特点后,得出一个拟人化的结论,他认为植物回旋转头是植物运动的驱动力。因为植物会摇头,所以表现出明显的向光性和向地性。

研究植物是个冷门,达尔文的这个结论估计也没多少人太在意。直到大约80年之后,这一假说才受到挑战。隆德技术研究所的多纳尔德•伊斯雷尔森和安德尔斯•约翰森提出了一个替代的假说,认为植物的摇摆运动不是向地性的结果。

这和达尔文的观点正好相反。这两人认为在植物生长时,茎的位置发生变化后,每变动一点点,植物有一个反应的时间。比如植物正在向下长,本来应该向上,但是有延迟,等到反应过来已经超过了向下的线,于是以此类推,就这样来回矫枉过正,循环往复造成了这个摇摆运动。

好了,那矛盾来了:
达尔文认为,这种回旋式转头是所有植物的内秉行为;
但伊斯雷尔森和约翰森则认为:外力(包括重力)驱动了植物的圆圈舞。
如果是你,怎么办?

这时候科学思维就起作用了。如果达尔文的理论是正确的,这种运动是内驱的,那么即使没有重力,回旋转头运动也会继续进行;如果伊斯雷尔森和约翰森是正确的,那么植物的回旋转头运动在失重的情况下将不复存在。

但是怎么制造失重的条件,这就确实需要一定的运气了。这个问题抛出来如果太空技术不到位,那么同时代的人就没办法验证这个想法。

所以解决这个问题得等到20世纪。1983年,一个叫阿兰•布朗的植物生理学家在哥伦比亚号航天飞机上进行了他的植物实验。宇航员在轨飞行的时候监测了向日葵幼苗的运动,结果几乎百分之百的幼苗都展现出旋转生长的运动形态!也就是说在几乎无重力的条件下。向日葵幼苗仍然像它们在地球上那样继续打着旋儿运动。

所以,达尔文胜利了。

但不要着急。

日本航天局的高桥忠幸及其同事曾经监测过一种特殊的牵牛花。这个牵牛花特殊在什么地方呢?没有内皮层,内皮层是牵牛花感知重力的重要部分。(植物感知重力靠的是体内一种叫平衡石的东西,科学家们曾经用磁场来改变平衡石在植物体内的位置,改变了位置后,那些正常生长的植物还真得就像豆瓣曾经的歪脖风一样,植物们清一色偏向一侧长。)失去内皮层的这个特殊的牵牛花不能进行这种螺旋运动。这个实验结果有意思了,因为这正好支持伊斯雷尔森和约翰森则的理论:回旋转头和向地性有关。

到底是内禀行为,还是外力导致的呢?高桥忠幸就这两个矛盾结论给了一个推断:飞船上的实验是用在地球上已经萌发的种子做的,地球上形成的种子很可能和太空中形成的种子有不同的性状,在哥伦比亚号上进行的实验可能因为时间受限而影响了实验结果。哥伦比亚航天飞机上的实验持续了10天左右。

高桥忠幸不太服气。

长时间实验的条件,直到千禧年后国际空间站慢慢健全才满足。2007年安德尔斯•约翰森和他的挪威同事在空间站上进行了一项为期数月的实验,他们把在空间站上萌发的拟南芥植株,种在一个设计好的密闭容器中。然后监测他们的运动。最终发现在失重条件下,拟南芥植株仍然展现出了螺旋状的运动,只是幅度很小而已。但是这个圆周运动的半径和运动速度都要比地球上的情况小,说明重力是增强这种内秉运动的必需条件。

科学家还做了对照实验,这些失重的植物被放在了离心机里,主要是用来模拟重力环境。科学家们又发现一旦离心机启动,植物的回旋运动就比较夸张,一旦停下来幅度就会变小。最终完美证明重力不是运动的必需条件,而是修饰和放大植物这种内在运动的必需条件。

达尔文是对的。

整个过程中的科学思维是多么经典啊!那些赶上科技进步的科学家是多么幸运啊!

当然,这本《植物知道生命的答案》并非只是冰冷的硬科普,它浓浓的人文关怀气息简直是无处不在。在这本书里作者展示一个只有宁静心灵才能倾听的世界:植物会看、会闻、会触摸、有记忆、能定位!这不是胡言乱语,每一个结论都有真实专业的科学依据!

最后我想说的是,人们对植物的这些好奇心,其实体现出来的是人类对生命的尊重。举个例子来说,你能看到满世界的植物,但只有当你把植物与人类类比,你才会有一些疑问产生,比如植物能看,能听,或者他们有触觉和味觉吗?而正是这样的好奇心驱使,历代科学家才逐渐给我们揭示出一个令人惊叹的植物世界来。

这本书会让你增长知识,我相信他也会触及你的灵魂。当你喝咖啡时,在纸上写字时,盖着被子取暖时,你可能会意识到这口咖啡是出自哪里的咖啡豆呢,那张白纸又融合了多少植物的细胞壁,这暖融融的被子里的棉花在几年前也许正旺盛地长在中国北方的某片农田里吧?

最后,我邀请大家来参加这个传图的线上活动【美丽的生命,她静悄悄……】(http://www.douban.com/online/11671210/):快来上传你看到的植物吧!可以是盆栽也可以是其他!
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