第23章 学生生理发现的启迪(1)

1.奇妙的绿色“工厂”

地球上有家奇妙的“工厂”，那就是“绿色工厂”。

你知道吗？这家“工厂”已有二十亿年的历史。它从开办的那天起，就采用自动化生产，比现代电子计算机控制的工厂还要精密、灵巧；它的原料、动力都很巧妙地取之于大自然，用不着花钱购买；它的体积小到只有在电子显微镜下才能观察到。但是，它生产的食品却多得惊人，全世界四十六亿人口、上百万种动物都得直接地或者间接地依靠它过日子。

这么奇妙的“工厂”，当然要引起人们的兴趣。长期以来，许多科学家为了叩开“工厂”的大门，洞察其中的秘密，曾呕心沥血，不辞劳苦，一代接一代地对它进行探索。直到现代，“绿色工厂”之谜才逐步被揭开。

一片绿叶好比一个工厂

“绿色工厂”开设在哪里？它就开设在绿色植物的叶片内。

植物叶片的形状各式各样，有蒲扇似的棕叶，巴掌似的梧桐叶，眉毛似的柳叶，缝衣针似的松叶等等。它们都是由许多绿色的细胞组成。在显微镜下面，你可以看见细胞里有许许多多绿色的颗粒，这就是叶绿体。每个叶绿体都可以单独地进行光合作用。一个叶绿体好比工厂的一个车间。

你也许感到诧异，那一片片随风摇曳的绿叶怎能容得下那么多的“车间”、摆得进那么多的“机器”？

好，我们先来了解一下“工厂”的布局和设备吧。请你在庭院随手摘一片阔叶片，肉眼能够看到的是叶片的正面和背面都有一层表皮，即上表皮和下表皮。用小镊子撕去表皮，露出叶肉，叶肉中间分布着许许多多叶脉。

如果把叶片纵切成薄片，放在低倍显微镜下观察，就可以看到上下表皮好像是“工厂”的围墙，它是由一层排列得很紧密的细胞组成的。表皮向外一面的细胞壁上，有一层透明的、不易透水的角质层，它既能让阳光透过“围墙”进到“车间”，又可以保证“工厂”内部的水分不会轻易地散发出去。

叶片表皮上有许多很小很小的孔，叫气孔，气孔是由两个半月形的保卫细胞围成的，保卫细胞的壁调节着气孔的开闭。

气孔有多大呢？一般用微米来表示（一微米等于千分之一毫米），据测量，一个气孔宽约3~12微米，长约10~40微米。

叶片的上下表皮都有气孔。一般地说，下表皮的气孔数目比上表皮多一些。不过，不同的植物也不一样，比如苹果叶片的气孔都在下表皮，莲和睡莲叶片的气孔只在上表皮。叶片上面的气孔多得惊人，通常在一平方厘米的叶面积上就有100~16000个。气孔的面积约占叶片总面积的1—2%。空气和水就从这里进进出出。

气孔的开闭运动，是由保卫细胞的含水量决定的。

一般地说，在温暖晴朗的天气里，叶片照光以后气孔就开放，黑暗降临时气孔就关闭。但是，外界环境的水分和温度也影响气孔的开关。缺水的时候，气孔关闭；温度超过25摄氏度时，气孔也关闭。你看气孔的开闭跟外界条件的关系多么密切呀！这也是植物对不良环境的一种适应性。

在叶肉里有成束的叶脉，其中包括导管和筛管，它和根、茎的导管和筛管连通。叶脉像一条条四通八达的运输线，源源不断地把原料输送到“工厂”里来，同时把产品运出“厂”，供应植物体各个部分的需要。叶脉还是支撑叶片的桁架。

叶片中的主要部分是叶肉，不论它的重量或者体积，都占整个叶片的90%以上。叶肉是一群夹在上下表皮之间的薄壁组织。靠近上表皮的叶肉细胞呈圆柱形，排列得比较整齐，像一根根栅栏，叫做栅栏组织。接近下表皮的叶肉细胞，形状不规则，排列得很疏松，细胞之间空隙比较大，很像海绵，叫做海绵组织。

如果用高倍显微镜来观察叶肉的话，首先跃入你眼帘的是一粒粒晶莹剔透的好像绿宝石似的叶绿体。

高等植物的叶绿体形状像透镜，平均直径有10微米左右，厚有2微米左右。每个绿色细胞中叶绿体数目不一样，从几个到几十个。上下层细胞所含叶绿体的数量也不一样。蓖麻叶的栅栏组织里，每个细胞约有36个叶绿体，海绵组织的细胞里只有20个左右。高等植物的叶绿细胞内所含的叶绿体数目较多，每个细胞里有几十个到100个，甚至还要多。而绿藻中数量很少，比如衣藻细胞里只有一个叶绿体，星接藻细胞里有两个叶绿体。

后来，科学家根据电子显微镜的观察，知道叶绿体外面被两层透明的膜包着，里面是许许多多层绿色的膜，叫做层膜。这些层膜里面含有叶绿素，并且浸在水里。因为有了它们，叶片才绿得醉人。

叶绿素不仅把植物装饰打扮起来，给人以美的享受；而且更重要的，它是“绿色工厂”的“机器”，有了它，“工厂”才能出产品。

叶绿素分子的数量大得惊人，一个层膜单位里约有一百万个叶绿素分子，这样，一片绿叶中的叶绿素分子的数量是很多很多的了。如果按重量计算，它又小得出奇，平均只占叶片重量的千分之一。一平方厘米绿叶面积内，只有0.2毫克叶绿素；一公顷土地的绿色植物，也只有13公斤左右的叶绿素。

“工厂”的原料

“好雨知时节，当春乃发生。

随风潜入夜，润物细无声。”

这是唐代大诗人杜甫写的《春夜喜雨》中的诗句，意思是好雨也懂得适应季节，随着微风在夜里悄悄地洒落，使万物受到雨水的滋润。

在自然界里，所有生物的生命活动都离不开水。而对植物来说，更有另一种意义：水是“绿色工厂”的重要原料。没有水，“车间”就开不了工。

有句成语“根深叶茂”是很有道理的。一棵健壮的植物具有庞大的根系，植物主要是通过根的幼嫩部分特别是根毛，从土壤中吸收水分。植物的根毛多得惊人，一株玉米的根，每平方毫米的面积上约有420条根毛，豌豆的根上每平方毫米约有230条根毛。

植物的根不仅数量多，有的还埋得很深。非洲的巴恶巴蒲树，它的根毛区就长在地下35米深的地方，专门吸收地下水。有趣的是，有些植物的根直接长在水中，比如浮萍，随风漂流。有些植物的根悬空生长，比如广东、广西、福建等地的榕树，它用气根吸收空气中的水分。气根上面虽然没有根毛，可是在根尖的表面有许多层死细胞，细胞壁比较厚，上面有一些小孔，能够吸收空气中的水分，这些死细胞叫做根被。

除了水，二氧化碳也是“绿色工厂”的重要原料。

二氧化碳来自空气。前面讲过绿色植物叶片的表皮上布满了气孔，每个气孔都和叶肉细胞的间隙相通。气孔除了调节植物用水以外，还用来吸收空气中的二氧化碳。据估计，地球上植物叶片的气孔，每年要吸进去1500亿吨二氧化碳。如果你要检验一下二氧化碳对于植物的作用，只要在叶片表面涂上一层薄薄的凡士林就行了。凡士林把气孔堵塞住，空气中的二氧化碳就不能跑进去，要不了多久，叶子就枯萎了。

光有水和二氧化碳，“绿色工厂”也还不能开工，它还需要有动力，那就是阳光。

“工厂”的动力

“绿色工厂”要开工生产，就必须有充足的太阳光做为动力，才能发动“机器”，制造产品。

太阳光对“绿色工厂”的生产有多大影响？你可以做个简单的对比实验：把两盆同品种的天竺葵花，一盆放在阳光下，一盆放在暗室或者避光的地方，供应等量的水和肥料。不久，不见光的那盆天竺葵花叶子渐渐发白，最后枯萎，而照射阳光的那盆花枝招展，惹人喜爱。这就是因为前者缺乏动力，“工厂”几乎停工，而后者有充足的动力，“工厂”正常生产。

太阳光是一个巨大的能源，当光能落在地球表面的时候，大多变为热能。根据科学家测定，每年大约有6.5×1023卡的太阳光能可以达到地球的表面。对“绿色工厂”来说，太阳光就像煤和石油那样，成为“工厂”不可缺少的动力。

绿色植物是怎样吸收光能的呢？主要由叶绿素来吸收太阳的辐射能。落在叶片表面的太阳辐射能并不是全部被叶片吸收，只有80—85%被吸收，10%被反射掉，5~10%透过叶片而没有被吸收。这跟叶片表面的构造有关系，比如叶片表面蜡质的厚薄，茸毛的多少，内部色素成分和数量的多少，以及叶内含水量的多少等等，都能影响叶片吸收光能。据统计，陆生植物每年大约贮存3×1017大卡的能量，相当于1.7×1012公斤的碳水化合物。而海洋生物能生产13×1013公斤的碳水化合物。

这么大的能量，植物是怎样利用的呢？

我们的眼睛能够看见的太阳光，含有红橙黄绿蓝靛紫七色光。不同颜色的光有不同的波长，由红光到紫光，波长逐渐变短。叶绿素吸收光能，并不是七色光全部被吸收，而是有选择地吸收。实验证明，红光和蓝紫光被叶绿素吸收的最多，生产效率最高。

太阳光有直射光，也有散射光。绿色植物不仅要吸收直射光，还要吸收散射光。那些千姿百态的植物叶子，巧妙地向四面八方伸展。你看，那又大又密的树冠，像一把翠绿的巨伞，叶子在枝条上面的排列尽管不同，但是相邻两节的叶子总是不重叠，使同一个枝条上面的叶片不会互相遮盖，形成了叶子镶嵌错落的排列方式。

叶子的数量很多，它们的总面积也很大。有人作过统计，一株春小麦叶子的总面积几乎达到500平方厘米，一株甜菜叶子的总面积约有5000平方厘米，一株南瓜叶子的总面积竟有10000平方厘米之多。多数农作物叶子的总面积，都比它占有土地面积大上20~100倍。这样多的叶子，就能为绿色植物贮存大量的能量。

太阳光照射到叶片上，只有1~3%的能量直接参加光合作用，有一部分能量转变为热能，于是叶片的温度就会增高，如果不及时“处理”，就会灼伤叶子。实际上，绿叶有调温的能力，通过叶片的蒸腾作用，来降低叶片温度，维持“工厂”的正常生产。

值得注意的是，在一般情况下，“绿色工厂”开工的状况跟太阳在天空的位置大有关系。

在无云的晴天，晨曦微露，“绿色工厂”开工生产。不过，由于晨光熹微，动力不足，“工厂”的效率很低。

当太阳冲出云海，把万道金光洒向大地的时候，“绿色工厂”逐渐活跃起来，“机器”忙碌地运转，产品逐渐增多，叶片里开始积累糖类物质。运输工作也跟着忙起来，把养料分别输送到根、茎、花和果实中去。

上午十点前后，太阳高挂天空，照射到叶片上的光能80%左右被吸收，“工厂”就开足马力，生产效率达到高峰，运输产品的工作忙不过来，叶子就成为“临时仓库”，贮藏大量的养料。

中午，骄阳像火炉似的烤灼大地，“工厂”的效率反而降低，因为叶片里的水分大量地蒸发，引起气孔关闭，根部的水一时又运不上来，产品堆积在“车间”里，运输又来不及，所以“工厂”的生产反而转慢。

午后，太阳辐射的强度逐渐降低，气温也慢慢下降，供应条件得到改善，“临时仓库”的成品通畅无阻地输送出去。另外，这时候太阳斜射，散射到叶片上面的阳光很多，这样“工厂”的生产又恢复正常，生产效率又达到一个高峰。下午四五点钟到黄昏，生产下降，最后停止。“日出而作，日没而息”，就成为“绿色工厂”的生产规律了。

小麦、水稻、棉花以及瓜果、蔬菜等，大多数植物叶片里的“工厂”，是按这个规律生产的。没有光，它们就没法生长，所以把它们叫做喜光植物；另一类植物，比如蕨类、黄杨、玉簪、万年青、酢浆草、云杉等，习惯于阴暗潮湿的环境中生活，它们被叫做耐荫植物。不过，耐荫植物的光合作用效率很低，对人类的价值也不大。这里，我们主要介绍喜光植物的光合作用规律。

神奇的生物催化剂

要使“绿色工厂”正常开工生产，一方面要有原料源源不断地供应，保证充足的动力；另一方面还要便于生产的各个环节正常地运转和协调，才不至于窝工。这个问题不是人所能够解决的。原来，绿叶里有一种物质，它们对“绿色工厂”的生产只起催化作用。这就是说，在产品生产出来的前后，这种物质的重量和组成并不发生任何变化，这种物质叫做酶。生物体内的酶被称为生物催化剂。

其实酶并不神秘，它是一种蛋白质，包含在细胞里。据研究，叶绿体所含的酶种类很多，已知的不下二百种。光合作用本身，至少需要几十种酶参与。比如，二磷酸核酮糖羧化酶，己糖二磷酸酯酶等等。

酶的催化本领大得惊人，它比化工厂里用的催化剂效率高出几十万到几十亿倍。比如，只用一克淀粉酶，就能使两吨淀粉在65摄氏度以下十五分钟内完全分解；而用化学上的催化剂，却需要用十几公斤，并且要在100摄氏度以上的高温，经过十二小时才能完全分解。

酶有个怪脾气：只催化符合自己胃口的物质，比如淀粉酶只作用于淀粉，蛋白酶只作用于蛋白质。这就好像一把钥匙开一把锁一样，锁和钥匙得配对，反应才能进行。科学家把酶的这种特性叫做“专一性”。

酶的另一个特性是容易被破坏。如果遇到高温、紫外线或者强酸、强碱等等不利的条件，它就会失去催化能力，直接影响“工厂”的生产。酶被破坏了怎么办呢？你不用担心，细胞里会及时产生新的酶来补充的。

“工厂”的效率、产品和年产量

我们办工厂，要讲究生产效率，比如一个火力发电厂，它的效率高低，就看它烧了多少煤，发了多少电，然后把电能换算成热能再和煤里所含的热能进行比较，从中得到它的效率。