太空裡的植物是咋樣的（太空中植物如何生長）

2023-04-14 15:08:39 2

「天宮課堂」第三課，10月12日下午正式開講。

神舟十四號乘組航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲，在「新教室」問天實驗艙，帶來了一堂太空科普課。

我們邀請了蕭山中學生物競賽教練黃雲光和浙大附中物理教師馬鴻歡，來給大家講講這堂課的奧妙。

剛萌發的水稻為何「吐水」？

在這次太空授課中，陳冬為大家展示了一個奇特的現象：剛剛萌發的水稻，在葉尖上出現了一個晶瑩的小水珠，水珠越來越大，直到貼到了生長盒的壁上，在透明玻璃的內壁上連成一片。

其實，類似的現象大家住在地球村也同樣能夠看到。「田間泥土潤，葉上珠露香」，所謂露珠，便是以上現象的同胞兄弟。

這個現象被科學家們形象地稱之為「吐水」。大家都知道，植物吸水的主要動力是「蒸騰作用」，靠葉片上一些叫做「氣孔」的小洞洞，使得葉片中水分快速蒸發，在白天給飽受日曬的葉片降溫的同時，使得葉片處於一種失水的狀態。這時葉子便會通過吸管一樣的葉脈（準確地說，葉脈中的「導管」）向與之相連的莖，乃至地下的根吸取水分。

通過這種方式，水分從地底被吸進植物，又通過莖被拉上葉片，最終散失到大氣中，植物也獲益於此，為體內物質的運輸搭建了一條便捷的「水路」。然而，蒸騰作用並不是植物吸水唯一的方式。

在空氣溼潤的夜晚，葉子沒有光照罷了工，氣孔關閉，蒸騰微弱，但物質仍在植物體內運輸，這是為什麼呢？原來，雖然此時葉片沒法在上面「拉」，但根「自己動手」，在底下把水往上「壓」，也完成了「水往高處流」的運輸任務。

這是通過一種奇妙的機制來實現的：在根的根毛表面存在一些特別的蛋白質，它們像是「黃金礦工」一樣從溶有各種溶質的土壤液體裡抓住那些溶質，收納進細胞內部，通過這種主動耗能的方式，細胞內的溶質濃度越來越高。又由於水有自發地從低濃度液體轉移到高濃度液體的傾向，水分也隨礦物質一同湧入細胞內。以此類推，表層的細胞從土壤中吸水，內層的細胞從外層細胞吸水，直到最內層的細胞吸飽了水，只好把水不停地往上壓出去。積少成多，眾志成城，水流在導管內重新流動，從而實現了在夜晚植物也能完成水分的運輸。

介紹完了根壓的原理，我們再次見到清晨發現的露珠，便能想到，那是整整一夜根用盡力氣從地底泵到地面的水源，葉片內水分如此充足，以至於在葉片的邊緣被壓出幾滴晶瑩剔透的露珠，帶給早起的人們美好的視覺感受。

失重條件下，植物為何仍向上長？

決定植物的根和莖生長方向的因素有很多，最有意思的可能就是向重力性了。植物的根部細胞中有重力感受器，它們工作的方式非常原始卻又很有效，它們其實就是一個一個小澱粉體，在細胞裡面重重的，會沉在細胞的底部壓著那裡的細胞壁，所以當細胞感受到哪裡有重物壓著的時候，哪裡就是向下。在太空中，微重力環境導致這樣的機制不再有效，可以想像這些澱粉體轉而在細胞中漂浮。但是還有其他的機制可以幫助植物找到上下，比如說向水性、向化性（根在土壤中總是朝著肥料多的地方生長），植物的根會向潮溼的有營養的地方探索，所以天宮中的植物還是可以把根伸進土裡，而莖則朝著有光的地方生長。

為什麼這些動植物能上太空旅遊？

研究人員使用擬南芥和水稻做了植物方面的研究。在回答問題時，航天員說斑馬魚、線蟲也在太空中參與過實驗。這些動植物之所以擁有上太空旅遊的特權，是因為它們都是模式生物，通常易於繁殖飼養，基因組簡單可操作，又能代表大部分相似的生物，非常適合作為實驗材料。

經過基因編輯的早開花種子的開花期真的提前了很多，這就是基因操作成功的證明。

植物基因組的編輯和動物的不太一樣，因為對動物的一個細胞進行編輯，然後它自己就可以長成一個完整的動物。而植物需要利用它的營養繁殖能力，使用組織培養技術，把使用核酸酶編輯過的細胞養成一個完整的植株，然後再檢驗它的基因是否編輯成功，獲得它的種子或者繁衍更多代，再把它種到太空上去。這些都是非常需要耐心的工作。

植物開花有什麼奧秘?

植物開花的機制是很神奇的，有的植物要長到一定的葉片數才會覺得自己已經長大了可以開花了。外界的刺激對於植物來說也是很關鍵的，它們會感受季節變化和晝夜更替，接收開花的信號。

植物感受光照周期變化並發出開花指令的器官是什麼呢？答案是葉子，大家都知道葉子會進行光合作用來製造糖類，但是與光打交道的工作也讓它對晝夜時間的變化格外靈敏。

植物和人一樣也有自己的生物鐘，光受體和生物鐘之間相互作用使得一些關鍵的蛋白得以表達，然後開始啟動整個花器官發育以及開花的程序。

除了光之外，溫度也是一個重要的因素，溫度的改變和光照的改變一樣代表著季節的變化。春天到來的時候有很多植物會開花，大家都本能地以為是植物們感受到了溫暖的空氣，實際上，真正給植物開花信號的卻是冬天的低溫，大多數植物缺乏低溫的刺激就不會開花，所以花兒們都知道「冬天來了，春天還會遠嗎？」何嘗不是一種自然的智慧。