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来源：植物科学最前沿公号（2021年5月25日）

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精彩书摘

精彩书摘： 夸父逐日

《山海经》中记载，黄帝时期巨人夸父为了追上太阳不知疲倦地拼命奔跑，直到最后渴死也没能成功。植物界也有这样一位“夸父”，就是向日葵 （Helianthus annuus）。向日葵因其花朵经常朝向太阳而得名，它的这一特点也常与人们向往温暖与光明的美好心愿联系在一起。在古代的印加帝国，向日葵被当作太阳神的化身。我国宋代名相司马光，也曾用诗句“更无柳絮因风起，惟有葵花向日倾”，表明自己不愿摧眉折腰，对国家忠心不二的态度。向日葵追逐太阳的奇特习性令人着迷，可你是否思考过，向日葵没有动物的骨骼和肌肉，是如何做到随着太阳转动的呢？所谓的“逆光向日葵”究竟又是怎么回事呢？

向日葵追随太阳的现象很早就引起了科学家们的好奇。早在1898年，美国植物学家约翰•沙夫纳（John H. Schaffner）就系统地记录了向日葵花盘每天的运动轨迹。他将向日葵的运动分成了四个阶段：第一个阶段是从日出到日落，在这期间向日葵会追随着太阳运动，从东边转到西边；第二个阶段是从黄昏到晚上10点，在这段时间向日葵会由朝西边转回竖直的状态；第三个阶段是从晚上10点到凌晨1点，向日葵一直保持竖直状态；最后一个阶段是从凌晨1点到黎明，在这段时间向日葵快速地向东边转动，以保证太阳刚升起时自己是面向太阳的。

我们坚信向日葵会始终追随着太阳运动，但多年以来也不断有人对此提出各种质疑。早在1890年，植物学家凯勒曼（W.A. Kellerman）就曾报道，在连续几天的观察中向日葵只有极小幅度的运动，并未追随太阳。而我国当代女作家张抗抗也曾在天山脚下观察到一大片背对太阳的“逆光向日葵”。这又是为什么呢？原来，他们观察的是不同时期的向日葵。向日葵所处的时期对花盘的运动至关重要。向阳运动只有在尚未开花或刚刚开放的向日葵中才能观察到，一旦授粉完成，向日葵的花盘就不再追随太阳运动，而是一直朝着东方。此外，这种向阳运动还会受到其他环境因素的影响，比如湿度。在很干燥或者很潮湿时，向日葵的运动都会大幅度减小，甚至基本保持不动，只有在湿度适宜的时候才能观察到向日葵花盘明显的向阳运动。

确定了向日葵的运动规律之后，科学家们开始探究向日葵运动的特征。首先他们观察到，向日葵的弯曲部位一般在顶端以下4—5英寸（10—15厘米）的位置。科学家对向日葵的顶端和弯曲部分的茎的左右两侧分别进行破坏，发现这些都不能影响向日葵的运动。而当去掉向日葵的叶子后，它就不能再向着太阳运动了。这说明向日葵的叶片对于花盘的运动至关重要。它的叶片可以探测太阳的方向，为花盘追随太阳运动提供必要的条件。

向日葵又是如何实现跟随太阳运动的呢？2016年，《科学》杂志的一篇封面文章揭示了这种现象背后的部分机制。植物中茎秆的弯曲大多是由两侧的生长速度不同导致的，如果茎的一侧生长快一侧生长慢，茎秆就会自动向生长速度慢的一侧弯曲。科学家们检测了向日葵花盘运动时东边和西边茎的生长速度，发现白天东边一侧的茎比西边的茎生长速度要快，而到了晚上，西边的茎的生长速度要快于东边。这与向日葵花盘白天自东向西、晚上自西向东的运动轨迹相吻合。科学家们还进行了一些很有趣的实验：他们把向日葵种在小盆里，在傍晚时，把它们从西边转到东边，人为改变向日葵花盘的朝向；或者用绳子将向日葵固定，让它不能转动。经过一段时间后科学家们发现，当向日葵受到干扰不能正常转动时，它的生长状态就会明显变差。此外，当有些基因不能发挥作用，向日葵因此不能正常生长甚至几乎不生长时，它的花盘也就不能再追随太阳转动。而用化学物质恢复茎的生长后，向日葵的向阳运动也会随之恢复。这些实验进一步证实，茎的正常生长对于花盘的转动十分重要。向日葵花盘的转动是靠花盘下部的茎不停调节两侧生长速度实现的。

向日葵的这种运动究竟是如何控制的呢？科学家们又开始了实验：他们把野外的向日葵转移到了人工培养箱中。培养箱里有持续光照，没有昼夜变化。科学家们发现培养箱中的向日葵在开始的几天仍会按之前的节律转动，可如果人为将生物节律周期（白天+晚上）延长到30个小时，向日葵之前“习惯”的规律运动就会被打破，继而再将生物周期恢复为24小时，规律运动又会恢复。这说明向日葵的向阳运动与植物自身的“生物钟”相关，同时也会受到外界环境的影响。生物钟是生物体内一种无形的时钟，是生命活动在一天24小时内周期变化的内部规律。假如我们乘坐飞机去往地球另一边的美国，初来乍到会出现“时差”：白天我们十分困倦，想要睡觉，而晚上却是我们最精神的时候。这是人体内部的生物钟与外部昼夜不一致导致的。但是几天后，我们的生物钟就会调整适应新的昼夜变化，成功实现“倒时差”。与人类似，植物也会以24小时为一个周期，在体内形成自己的生物钟，通过感知一天内的光照与黑暗来自我调整。

那为什么成熟的向日葵就不再转动，而一直面向东方呢？前面我们已经说过，向日葵是通过调整茎的生长速度来实现转动的。已经成熟的向日葵茎基本不再生长，也就不会出现两侧生长速度不一致导致转动的现象了。成熟后持续面向东方的向日葵能在早晨最先接受阳光的照射，使花盘的温度快速上升，吸引更多授粉的昆虫。科学家测量了面向东边的和面向西边的向日葵花盘的温度，并观察了花盘吸引的昆虫数目，发现早晨朝向东边的向日葵明显更温暖，更受昆虫的喜爱。而当我们给面向西边的花盘加热，使其温度升高到和面向东边的花盘一样高时，发现它也会吸引到较多的昆虫。看起来，虫子们更喜欢温暖的向日葵。成熟的向日葵选择在早上昆虫活动频繁的时候面向东方更有利于“传宗接代”，这具有很重要的生态意义。

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