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第7章 认识植物(6)

植物的呼吸作用也能放出一部分热量,这会影响植物的体温吗?一般不会。因为植物的呼吸作用释放出的热量很少,而且很快就散失到大气中去,只有一些特殊的植物在特殊的时期才会有所不同。例如王莲、天南星等大型花卉,在合适的条件下能进行强烈呼吸,以至于引起植株体温明显升高。植物的体温严重依赖于环境温度制约了植物的分布地域,使得大多数植物只能在它们熟悉的温度带里生存、繁衍。在隆冬季节,如果人们将一株香蕉从风和日丽的海南岛带到冰天雪地的黑龙江,并且没有采取任何保护措施,毫无疑问,这株香蕉肯定会变成一个“大个冰棍”,死得惨不忍睹。同样,如果我们将北方栽种的苹果移栽到了海南岛等热带地区,如果没有采取正确的措施,苹果树也不会正常开花结果的。

植物对温度变化的适应能力是不同的,不少植物能在较宽的温度范围内生活,即能适应较大的温度变动。例如松树、桦、栎等植物,能在零下5~55℃的温度范围内生活,这类植物人们称之为广温植物;还有一类植物只能生活在很窄的温度范围内,不能适应较大的温度变动,这类植物就被人们称为窄温植物。窄温植物对温度的要求很严格,它们必须生活在特定的温度条件下才能正常生长发育。如在低温环境中生存的雪球藻,只能在冰点范围内发育繁殖;而喜欢高温的椰子、可可等植物,只分布在热带高温地区。典型的热带植物椰子,在海南岛南部就能生长旺盛、果实累累;但到了海南岛的北部果实就会变小、产量显著降低;如果移栽到了广州,这种植物不仅不能开花结实,而且还不能存活,干脆死掉了。你看,椰子对温度的要求多么苛刻!

一般来说,短期的高低温对植物的影响并不是很大,很多植物是可以忍受的。但是,如果超出正常温度的时间一长,植物就会受到伤害,特别是含有水分较多的植物更是如此。例如仙人掌,在0℃以下几个小时都没有影响,但是低温延长到十几个小时以上时,仙人掌就会受害致死。

当然,温度的超常变化并不总是对植物起破坏性作用,有些起源于北方或者高海拔地区的植物,植株或种子还必须经过一定时间的低温刺激后,才能正常发芽、生长、开花结果。以冬小麦为例,只有在经过冬天的低温后,冬小麦才能正常地开花结果,否则就不能顺利地结出正常的种子。再如牡丹、芍药等植物的种子,其胚芽有进行休眠的特性,必须经过5℃以下的低温刺激后才能生长出土。因此,这些植物的种子,秋季采收后如果放在干燥的室温中保存,第二年春季播种后就会只能长根,而不发芽、不出土。所以,这类植物的种子必须秋天就播种,或经过沙藏低温处理,让胚芽经受冬季的低温刺激,这样才能正常发芽生长。

植物不仅在生长发育上对温度敏感,在产品质量上与温度也有很大的关系。例如果树,在果实成熟期内如果有足够的温度,果实的含糖量就高,味道就更甜,果实颜色也更好看;反之,如果温度不足,就会造成含糖量降低,酸度增加,香味减少,品质就会下降。因为在果实成熟期,足够的温度能促进果实的呼吸作用,使果实内过多的有机酸加快分解和氧化,降低果实内有机酸的含量。在我国,四川、湖南、湖北等省所产的柑橘,因成熟时温度较低,就要比温度高些的广东所产的柑橘含酸量高。又如我们经常见到的葡萄,在果实成熟期内如果温度较高、空气较为干燥时,其果实品质也就会好;当温度低于16℃时,果实就会成熟得很慢,含酸量高而含糖量低。新疆吐鲁番的葡萄闻名遐迩,就是因为在葡萄成熟的季节,吐鲁番盆地的白天气温高、光照强,而且昼夜温差比较大,常常在10摄氏度以上,所以果实含糖量高达22%,甚至还要高呢!但是,如果果实成熟期温度过高,也会对果实的品质产生不利影响,一般会使果实变小、果实成熟期不一致、果肉发绵、香味减少,颜色也不那么鲜艳了,而且果实中维生素C的含量也会降低,品质当然就会下降很多。因此,在引种作物和进行农业栽培规划时,必须注意植物与温度的关系。

虽然温度能限制植物分布,但也是相对的。人们通过利用植物对温度的适应性,对植物逐步进行“抗寒锻炼”或“抗热锻炼”,再加上一些其他的辅助措施,就能使植物突破原来的惰性,高高兴兴地迁移到新的环境中去。在我国,“北种南移”和“南种北移”的工作已经部分获得成功。如水稻原产亚洲热带,现在已经栽种到我国最北部北纬53度以上的地区;黄瓜原产印度热带,西瓜原产南非热带,苦瓜、南瓜来自亚洲热带,现在都早已在我国大江南北各地正常生长。在我国科技人员的共同努力下,“柑橘北上,苹果南下”的梦想也已经成为事实。也许有一天,南方的荔枝也能在北方普遍栽种,到那时候,我们就再也不必再让荔枝睡在冰水里,辛辛苦苦地“长途跋涉”来供应北方市场了。

植物的呼吸

我们常称动物的呼吸为“吐故纳新”,植物也会呼吸吗?当然。同动物一样,植物也要通过呼吸作用将植物体内的某些有机物质进行分解,释放出供给植物各项生理活动所需要的能量,并在此过程中合成新的生命物质。植物的呼吸作用根据需要氧的参与与否,可以分为有氧呼吸和无氧呼吸两大类,这是与动物的呼吸不同的。

有氧呼吸,顾名思义就是需要氧气参与的呼吸作用,其主要特点是吸进氧气,氧化分解有机物而释放二氧化碳。

如何证明植物会做有氧呼吸呢?让我们来做一个小实验:随便摘几片叶子,把它们装到一个瓶子里面,然后将瓶子密封,并放到一个阴暗的地方。隔一夜以后,打开瓶塞,向里面倒一点澄清的石灰水,摇动几下,结果会怎么样呢?澄清的石灰水变得浑浊了。奇怪,这是什么原因呢?原来,澄清的石灰水里含有很多氢氧化钙,这种物质有个特点,只要遇到二氧化碳,它就会和二氧化碳起化学反应,并生成一种叫做碳酸钙的白色沉淀物,使石灰水变得混浊。这个现象说明,瓶子里面产生了许多二氧化碳,比大气中的比例大多了。如果我们再将一根燃烧的火柴伸到瓶子里面,火柴很快就熄灭了,这说明,瓶子里面缺少了支持燃烧的物质——氧气。

这个小实验很简单,但足以证明植物的有氧呼吸是和动物一样吸收氧气、放出二氧化碳的。长期贮存菜或甘薯的地窖里,由于蔬菜或甘薯的呼吸作用,会使得地窖中的二氧化碳的浓度大大升高,氧气的浓度大大降低。如果人贸然进入地窖就会发生窒息晕倒,严重的会导致死亡。因此,在进入这些地方之前,要先用一支点燃的蜡烛或小灯放到地窖中试验一下,如果蜡烛或小灯很快就熄灭了,则千万不要进去.一定要通风一段时间以后,继续检验,没有问题再进入这些地方。

植物的另外一种呼吸作用就是无氧呼吸。无氧呼吸就是植物的细胞在无氧的条件下,把一些有机物分解为不彻底的氧化产物,同时释放出能量的过程。一般来说,高等植物的无氧呼吸都会产生一些酒精、乳酸等代谢物。比如苹果放的时间久了,内部果肉部分就会有酒味,这就是苹果因无氧呼吸产生酒精造成的。相类似的,马铃薯块茎、甜菜块根、胡萝卜和玉米胚等,在进行无氧呼吸后则会产生乳酸。

在无氧条件下,高等植物可以进行短期的无氧呼吸,以适应不利的环境条件,比如熬过水淹等灾害。但是,如果植物缺氧时间过长,不但无氧呼吸所产生的酒精和乳酸就会对植物体造成毒害,植物生长的能量也会供应不足,这将使得植物体内部的分解大于合成,导致植物因饥饿致死。所以,植物的无氧呼吸只是植物适应严酷的自然环境的权宜之计,有氧呼吸才是植物进行呼吸作用的主要方式。

我们通常所说的呼吸作用(包括有氧呼吸和无氧呼吸)在光下和暗处都能进行,人们通常称之为暗呼吸。20世纪60年代,科学家们发现,植物体内还存在着另外一种“呼吸作用”,这种呼吸作用只有在光照下才能进行,因此被形象地称为光呼吸。光呼吸现象在所有的高等植物中都存在,它把光合作用过程中产生的部分有机碳转变为二氧化碳,并把这些二氧化碳重新释放出去。光呼吸的存在在某种意义上来说是一种浪费,因为光呼吸整个反应的许多过程都是消耗能量的,而且它还能影响二氧化碳的固定速度。目前,光呼吸的作用机理已经被科学家搞明白了。原来,它主要是消耗了绿色植物叶片在光照下形成的乙醇酸这种物质。从乙醇酸的合成,到乙醇酸被氧化,形成二氧化碳再释放出去,这是一个相当复杂的过程,这一系列反应是在三种细胞器中完成的,它们分别是叶绿体、过氧化物体以及线粒体。

通过科学方法的测定人们已经知道,光呼吸所释放出的二氧化碳大约占整个光合作用二氧化碳固定量的20%~27%,也就是说,它把光合作用所固定的四分之一左右的碳又变成了二氧化碳释放出去。植物做了极大的努力,将太阳光能转变为化学能,将二氧化碳合成为有机物,并将化学能储藏在有机物中。可是光呼吸却把植物辛辛苦苦积累的一部分能量和有机物浪费掉了,这是为什么呢?有些人认为,光呼吸可以保护叶绿体,使叶绿体免受强光的伤害,不过并没有充分的证据来证实,所以,到目前为止,植物为什么会进行耗费能量的光呼吸还是一个令人费解的谜。

植物的呼吸作用是有热放出的,这是因为植物细胞分解有机物时,不能利用的多余能量就会以热的形式散发出来。如果把正在萌发的种子用棉布包起来进行隔温,那么种子的温度就可以达到四十度以上,有许多种子也会因为温度太高而死亡。所以,刚刚收获的湿种子如果堆积在一起,就会因为温度升高而引起霉烂;新鲜的植株堆积在一起,时间较长时也会发生霉变;如果植株在晾干的过程中不彻底,植物体仍然有部分呼吸能力,那么,在长期堆积在一起以后,内部的温度就会升高很多,严重的话甚至可以引起植株自然燃烧。

其实,我们的祖先很早就认识到了植物的呼吸作用带来的后果,并在生产、生活中采取了正确的措施。例如早稻在浸种催芽时要用温水淋种和时常翻新,目的就是控制温度和通风,使呼吸作用能够正常进行;稻田的晒田、作物的中耕松土、黏土的掺沙等耕作方法,可以改善土壤的通气条件,使根系得到充足的氧气进行呼吸;刚收获的植物种子要摊成薄层,快速晾干,以免种子因呼吸作用温度升高而引起霉烂……现在,人们更是主动利用植物的呼吸作用,让它为人类的生产、生活服务。如在粮食贮藏期间,人们应用通风和密闭的方式,或者在密闭的粮仓中充入氮气,以抑制粮食的呼吸作用;在储藏蔬菜、果实的实践中,人们发明了一种叫做“自体保藏法”的储藏方法,在密闭的环境中,利用果实、蔬菜呼吸作用放出的二氧化碳,使二氧化碳保持一个合适的浓度,从而抑制呼吸作用,延长贮藏时间……植物的颜色地球上的植物大约有40多万种,它们的颜色是五彩缤纷的。然而,万变不离其宗,他们都是由三大“法宝”——卟啉、类叶色素和黄酮类(花青素)三种物质相互变化而派生出来的。

我们先来看看卟啉类物质的颜色,它是绿色植物的基础物质。例如,植物体通常含有的叶绿素A和叶绿素B等都是卟啉类化合物,一切绿油油的植物颜色都是它的贡献,它可以在日光下合成,也可以在日光下分解。

类叶色素有三个同分异构体,都是有颜色的物质,主要存在于植物的叶子和果实中,在没有光照下,植物也能合成它。但是,它有一个特性,植物一旦合成了它就不易分解,植物某些部分有固定的颜色大都是它的贡献。

黄酮类又称花青素,它是决定花色的基础物质,五彩缤纷的花色就是它的贡献。它性格活泼好动,颜色常随外界的条件,如酸碱性和光照等的变化而变化。

那么,这三大法宝又是如何使植物变化颜色的呢?人们都知道,植物在幼苗时叶子呈黄绿色,长大后叶子变深绿色,到了秋冬又枯黄了。那么,植物叶子的这种颜色的变化,其化学机制是怎样的呢?

原来,植物初生嫩叶时,光合作用能力较弱,合成叶绿素的能力相应较低,而合成黄色类叶色素的力量稍强。由于黄色的类叶色素和绿色的叶绿素混合在一起,所以,初生幼苗叶子都呈黄绿色。夏天到了,植物也逐渐长大,合成叶绿素的能力大大增强,叶子中叶绿素的含量大大增加,此时叶子就变成郁郁葱葱的深绿色了。到了秋冬,光照减弱,叶子合成叶绿素又相对减少,加上此刻植物体内的某些酶又出来分解叶绿素,而类叶色素一旦形成就不易分解,所以,一到冬天,除常绿植物外,其他植物的叶子都变枯黄了。

然而,并不是所有植物叶子都符合上述变化规律。例如枫叶,由绿变成红再变黄;又如红苋菜的叶子,一开始就是红的。但是,这也可用上述三大法宝关系去解释,它的叶子含类叶色素和花青素特别多,所以,一开始就呈现红色。

花的颜色多样,变化也较复杂,有的同类植物却开出不同颜色的花朵,也有同一株植物早晚开的花颜色不一样。但是,万变不离其宗,这都是花青素在不同条件下,呈现不同颜色的缘故。

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