第6章 人类对植物的发现(5)

大多数热带和亚热带的植物，像可可的种子，从母体中取出35小时以后，就失去了发芽能力。甘蔗、金鸡纳树和一些野生谷物的种子，最多只能活上几天或几个星期；橡树、胡桃、栗子、白杨和其他一些温带植物种子的生命力，都不能保持很久。

这些植物种子的寿命为什么这样短呢？

早在很久以前，科学家们就对这个问题发生了兴趣，但这是一个极其复杂的问题，直到现在，学者们还没有取得一致的意见。

有的科学家认为，有些植物种子容易死亡，是由于脱水干燥的原因。经过实验，某些柳树种子如果暴露在空中，在一个星期内就完全丧失了生命力。但放在冰箱里，在相对湿度只有13%的干燥大气中，它们至少能活360年。所以，有些科学家不同意这样的说法。

还有的学者认为，生长在热带或亚热带的植物种子，它们的寿命所以这样短，是因为热带的雨水充足，再加上天气热，种子的新陈代谢旺盛，种子里贮存的一点儿养分，很快就被消耗完了，由于没有充足的养分，也就维持不了种子的生命活动，从而失去了生命力。

另外一些科学家认为，在寿命短的种子中，有的含有大量脂肪，像可可、核桃、油茶什么的，由于新陈代谢的关系，脂肪转化的过程中可能会产生一种有毒物质，会把种子里的胚杀死，或者使种子变质。像花生、核桃放久了，有一股哈喇味儿，就是这个原因。

也有一些人认为，有的植物种子寿命短，是因为种子胚部细胞里的蛋白质分子失去活动能力，以致完全凝固而不能转化。另一部分人认为，由于种子内部的酶失去作用，不能分解复杂物质，胚部得不到养分，种子也就失去生命力了。

近年来，越来越多的科学家认为，这些种子所以寿命短，主要是由于种子胚部细胞核的生理机能逐渐衰退造成的。

白垩纪

“白垩纪”一词由法国地质学家达洛瓦于1822年创用。位于侏罗纪和古近纪之间，约1亿4550万年（误差值为400万年）前至6550万年前（误差值为30万年）。白垩纪是中生代的最后一个纪，长达7000万年。在这一时期，大陆之间被海洋分开，地球变得温暖、干旱。开花植物出现了，与此同时，许多新的恐龙种类也开始出现，包括像食肉牛龙这样的大型肉食性恐龙。恐龙仍然统治着陆地，像飞机一样的翼龙类，例如披羽蛇翼龙在天空中滑翔，巨大的海生爬行动物，例如海王龙统治着浅海。最早的蛇类、蛾、和蜜蜂以及许多新的小型哺乳动物也在这一时期出现了。而白垩纪—第三纪灭绝事件是地质年代中最严重的大规模灭绝事件之一，包含恐龙在内的大部分物种灭亡。

坚硬如铁的“神木”

彼得大帝的座船为什么不怕土耳其的炮弹？是用什么材料做的？原来，这艘战舰就是用沃罗涅日的神木做成的。神木为什么这么坚固？当时，人们并不知道其中奥秘，只知道这是一种带刺的橡树，木材的剖面呈紫黑色，看上去平平常常的，一点也没有什么出奇之处。

从亚速海战说开来

世界上的木材有软有硬，软的如棉，硬的如铁。人们把坚硬无比的木材喻为“铁木”，或称为“神木”。“神木”刺橡树生长在俄罗斯西部沃罗涅日市郊外。说起神木的神奇之处，还得从300多年前发生的一场著名海战说起。

公元1696年，在当时俄国和土耳其交界的亚速海面上，爆发了一场激烈的海战。海面上炮声隆隆，杀声震天。俄国彼得大帝亲自率领的一支舰队，向实力雄厚的土耳其海军舰队发起了进攻。只见硝烟滚滚，火光冲天。当时的战舰都是木制的，交战中，不少木船中弹起火，带着浓烟和烈火，纷纷沉下海去。由于俄国士兵骁勇善战，土耳其海军慢慢支持不住了。狡猾的土耳其海军在逃跑之前，集中了所有的大炮，向着彼得大帝的指挥舰猛轰。顿时，炮弹像雨点一样落到甲板上，有好几发炮弹直接打中了悬挂信号旗、支持观测台的船桅。土耳其人窃喜，他们满以为这一下定能把指挥舰击沉，俄国人一定会惊惶失措，不战自溃的。不料这些炮弹刚碰到船体就反弹开去，“扑通”“扑通”地掉到海里，桅杆连中数弹，竟一点也没有受损！土耳其士兵吓得呆若木鸡，还没有等他们明白过来，俄国船舰就排山倒海般冲过来，土耳其海军一个个当了俘虏……这场历史上有名的海战使俄国海军的威名传遍了整个欧洲。

彼得大帝的座船为什么不怕土耳其的炮弹？是用什么材料做的？原来，这艘战舰就是用沃罗涅日的神木做成的。神木为什么这么坚固？当时，人们并不知道其中奥秘，只知道这是一种带刺的橡树，木材的剖面呈紫黑色，看上去平平常常的，一点也没有什么出奇之处。这些不起眼的橡树木质坚硬似钢铁，不怕海水泡，也不怕烈火烧。木匠们知道，要加工这种刺橡树木材，得花九牛二虎之力。当年，为了建造彼得大帝的指挥战舰，木匠们不知道使坏了多少把锯子、凿子和刨子。

亚速海战以后，俄国海军打开了通向黑海的大门。彼得大帝把这种神奇的刺橡树封为俄罗斯国宝，还专门派兵日夜守卫着刺橡树森林。沃罗涅日这座远离海洋的内陆城市，也因为生产神木，而以俄国“海军的摇篮”的名分载入了史册。

300多年过去了，关于神木的故事一直在民间流传，可谁也解不开其中的谜。

解开神木之谜

到了20世纪70年代，神木的传说引起了当时苏联著名林学家谢尔盖·尼古拉维奇·戈尔申博士的重视，他决心用现代科学技术来解开神木之谜。

博士要做的第一件事就是测试一下神木的硬度，神木究竟是不是像传说中所描写的那样坚硬呢？为此，他在野地里用刺橡木板圈起很大一个靶场。靶场中央坚起2000多个刺橡木做成的靶子。谢尔盖命人对着神木靶子发射了几万发子弹，结果只有少数子弹穿透了靶子，绝大多数子弹都被坚硬的神木靶子弹了回来。

这个现象使博士非常惊奇，神木果真名不虚传！他取下几根靶上的木纤维，拿到显微镜下观察，结果发现，在木纤维的外面全裹着一层表皮细胞分泌的半透明胶质，这种胶质遇到空气就会变硬，好像一层硬甲。用仪器分析胶质成分，结果表明，胶质中含有铜、铬、钴离子以及一些氯化物等，正是由于这些物质的存在，才使得这种刺橡木坚硬如铁，不怕子弹，不怕霉蛀。

为了测试刺橡木的耐火和耐水性能，博士用刺橡木做成了一个大水池，水池的接合部分用特种胶水胶合。池子内灌满海水，并把各种形状的刺橡木小木块丢进去，将池子封闭好，过了三年，谢尔盖打开了密封的水池，取出小木块。他惊奇地发现，池子里的木块好端端的，一块也没腐烂变形。博士又检查了池壁和池底，那儿的木质也是好端端的，没有损坏。这证实了神木的确不怕海水腐蚀。

另一个项目是测试刺橡木的防火能力。博士把一个刺橡木房屋模型投入炉膛，这时，炉里的温度是300℃。一个小时以后。他打开炉门，模型竟原封不动地出现在他面前。原来，刺橡木分泌的胶质在高温下能生成一层防火层，并分解成一种不会燃烧的气体，它能抑制氧气的助燃作用，使火焰慢慢熄灭！

植物的血红蛋白与固氮

人和动物的红细胞里有血红蛋白，其作用是与氧结合，通过血液循环把氧运送到身体的各个部分，供细胞呼吸。那么植物有没有血红蛋白呢？植物没有类似动物的血液循环系统，如果有血红蛋白，它存在的部位在哪儿？它也起运输氧的作用吗？答案也许令你感到吃惊，是肯定的！

“小小化肥厂”

植物确实有血红蛋白，它也能与氧结合，但它出现的部位比较特殊，既不在根、茎、叶中，也不在花或果实里，而是在豆科植物的固氮根瘤内，所以又叫植物豆血红蛋白。至于它为什么只在豆科植物的根瘤中出现，还是让我们从根瘤的形成说起。

我们都知道，根瘤菌能在豆科植物的根部结瘤，其体内有固氮酶，能固定空气中的氮气。根瘤菌利用植物体内的碳水化合物产生能量，把氮气同化成氨，让植物吸收利用，这个过程叫做共生固氮。如果你在田间拔下一棵大豆或豌豆，观察一下它的根系，就会发现上面长着很多瘤子，这就是根瘤。根瘤虽小，功劳却很大，它把氮转变成氨，为植物提供氮肥，所以有人形象地把根瘤比做“小小化肥厂”。

但是根瘤从形成到开始固氮却是个非常复杂的过程，需要豆科植物和根瘤菌的很多物质共同参与，互相配合。根瘤菌先诱导根毛弯曲变形，然后通过一个叫侵入线的管状结构进入根毛和根皮层细胞，并刺激细胞分裂，形成根瘤。这时根瘤菌在形态上变成各式各样，称做拟菌体。它们被植物细胞“吞下”，外边包着一层植物的细胞质膜。最后拟菌体内的固氮酶开始工作，固定空气中的氮气，把固氮产物氨提供给植物，用于合成蛋白质、核酸，或者参与其他代谢过程。在上述过程中，植物的根瘤细胞非常活跃，合成了一套蛋白质参与根瘤的形成并使固氮作用顺利进行，这一套蛋白质叫结瘤素。结瘤素的功能多种多样：有帮助根瘤菌侵染植物细胞的，有与根瘤结构的形成相关的，有帮助植物吸收固氮产物氨的，有帮助拟菌体从植物上吸取碳水化合物营养的，还有保护拟菌体的固氮酶的，等等，这种具有保护固氮酶功能的蛋白就是豆血红蛋白。

豆血红蛋白

为什么要由豆血红蛋白保护固氮酶呢？这是因为固氮酶合成氨的过程要在厌氧条件下进行，固氮酶一旦接触氧就失去活性，豆血红蛋白便承担了排除氧的任务。它与氧结合，使固氮酶周围环境中氧的浓度大大降低，使固氮作用顺利进行；同时，它还可以把结合的氧供给拟菌体，帮助其呼吸。豆血红蛋白之所以重要，就是因为没有它，固氮反应就不会发生，形成的根瘤就成了无效根瘤。

豆血红蛋白在各种结瘤素中含量最高，占根瘤细胞内可溶性蛋白的30～40%。与人和动物的血红蛋白相同，它也有颜色，因为它也是色素蛋白，由血红素和珠蛋白两部分组成，血红素上二价的铁离子可以结合氧，有趣的是，豆血红蛋白的珠蛋白部分是由豆科植物生产的，而血红素部分则是由根瘤菌（拟菌体）合成的，二者结合在一起，才形成了有功能的蛋白，所以从这个意义上说，豆血红蛋白是真正的共生蛋白。

豆科植物根瘤内的豆血红蛋白的组分不止一种。不同植物，其组分数也不相同。例如，大豆血红蛋白有8个组分，4个主要组分和4个次要组分；一种叫苜蓿的牧草，其豆血红蛋白有5种，2个主要组分和3个次要组分，次要组分是主要组分加工修饰的结果。在普通田菁的根瘤中发现5种豆血红蛋白；有一种叫毛塔田菁的豆科植物，主要生长在热带地区，它不仅根上能长蓿，连茎干上也能长瘤，这种瘤子表面呈绿色，在它的茎瘤中分离到7个豆血红蛋白组分。

虽然不同豆科植物豆血红蛋白的组分不同，但各种植物豆血红蛋白的分子量却基本一致，大约为15000道尔顿，它们的氨基酸组成、蛋白质等电点等生化性质也大致相同。正因为它们有这么多相同的性质，使得它们在免疫学上能发生交叉反应。这种免疫反应的试验方法是，分离并纯化某种植物根瘤的豆血红蛋白，把它作为抗原注射到兔子身上，经过一段时间，兔子的血液中就产生了豆血红蛋白的抗体，这种抗体在体外遇到它本身的抗原（豆血红蛋白），就会发生沉淀反应。有时，一种豆科植物血红蛋白的抗体遇到其他植物的豆血红蛋白时也会形成沉淀，这就是免疫交叉反应。通过研究发现，苜蓿豆血红蛋白的抗体与豌豆血红蛋白有免疫交叉反应，但与大豆血红蛋白没有反应；普通田菁豆血红蛋白的抗体，与大豆和牛豆的血红蛋白都能形成沉淀。

豆血红蛋白基因

从遗传学角度看，蛋白质的合成是由遗传物质——基因编码的。具体地说，豆血红蛋白基因，即豆科植物根瘤细胞的细胞核内一段脱氧核糖核酸链（DNA），先经过一个叫做转录的过程，把遗传信息表达为一段与其DNA链对应的核糖核酸链，称为使信RNA（mRNA），这个核糖核酸链再经过一个翻译过程，就合成了这个基因的蛋白产物——豆血红蛋白。说到这儿，可能有人要问：植物的每个细胞包含的遗传物质是相同的，那么豆血红蛋白基因是不是在所有的细胞里、从种子萌发到开花结实一直都在表达呢？答案当然是否定的。事实是这样，在没有根瘤菌侵染时，在豆科植物的根、茎、叶中都检测不到豆血红蛋白，即使在根瘤菌侵染植物形成根瘤后，在上述部位仍然检测不到，只有在根瘤里，而且在根瘤形成的后期才能找到豆血红蛋白。这说明这个基因的表达在时间上和空间上都受一定的机制调控，属于诱导表达。这样，搞清这个基因如何控制其表达就成了十分有趣的问题。

科学家们从豆血红蛋白的mRNA入手，先分离纯化它，然后经反转录过程，合成与它互补的DNA（cDNA）。用这个cDNA作探针，通过RNA与DNA、或者DNA与DNA杂交的方法，研究豆血红蛋白基因表达的特点，确定基因的拷贝数、结构和调控序列。