SENSE隨筆131128
植物看得見東西嗎？
執筆人：蟬

種過盆栽的朋友都知道，植物是會向著陽光生長的。 大家可能直覺上覺得稀鬆平常，植物依靠光合作用生存， 即將陽光和二氧化碳透過葉綠素轉化成糖以提供養分，所以理應懂得“看光駛葉”。 但植物如何知道光源在哪裡呢？

植物的“視覺”
人依靠眼睛接收光線，經過感光細胞轉化成神經信號，並由大腦將映像重塑，讓人可以藉此反應世界。 眼睛的視網膜上有一層感光層，上面長有 視幹細胞Rod Cell和 視維細胞Cone Cell。 視幹細胞能接收光的強弱（無顏色）；而視維細胞則細分為接收紅、綠和藍3種顏色光線的類型。 視網膜上有1億2千5百萬個視幹細胞和6百萬個視維細胞， 解析度大概和一台1億3千萬象素的數碼相機差不多。

達爾文早在其著作《The Power of Movement in Plants》中便提出幾乎所有植物都向著光源生長。 1864年他以 金絲雀虉草做實驗，發現植物生長的指向性只受藍光影響，此行為稱為「向光性Phototropism」。
這似乎證明了植物是“看”到光從哪裡來的，但為何只受藍光影響？

1918年美國農業部的科學家Garner與Allard研究一種叫Maryland Mammoth的煙草。 Mammoth的特別之處是它可以長得很高，提供很多煙葉。 但mammoth很少開花，令繁殖很困難。 科學家們試著在下午的時候把它放進陰暗的地方，以減少它受陽光照射的時間。

果然，減少日照時間令mammoth停止長高並開花。 這種因應日夜長短而反應的現象稱為「光周期現象photoperiodism」。*** 這個現象說明了植物知道日照時間的改變，並作出反應。 但究竟植物如何記住日夜的長短呢？

遠紅色的開關
花農在種植不同的花種時要控制它們的開花時間。 例如菊花在中國人的祭祀需求特別大，花農為了控制菊花在適當的時候開花，會在晚上以燈光照射屬於短日照植物short-day plant的菊花，阻止它們開花。 這個方法很直觀，但有趣的是晚上燈光照射的時候只需短短數分鐘便足夠***， 如果植物在計算日夜長短的話，應該不受影響才對。

1950年美國農業部的Borthwick進行了一連串實驗，嘗試找出到底植物“看”到甚麼顏色的光。 他發現一個相當有趣的情況：晚上只有以紅色的光去照射植物，才能影響開花的時間，其他顏色完全沒有效果。
接著他發現了更有趣的事情： 如果以 “遠紅外線”—即波長比紅色稍長的光線， 照射受紅光照射過的植物，紅光對它的效應便會中和。

植物對時間的感知方法，是以一個只受紅光和遠紅外光觸動的開關，來判斷是否已經入夜。****
原來在自然界，植物在天黑前見到的最後一種光線便是遠紅外光，而它體內這種被命名為「光敏色素phytochrome」的感光細胞，其運作與常識相反：它沒有記住日照的時間，它只記著黑夜的長短。***

遠古的產物：晝夜時鐘
植物學家和科學家嘗試找出究竟植物擁有多少種類的感光細胞， 但結果未能令人滿意。 直至80年代，荷蘭科學家Koornneef嘗試以 阿拉伯芥arabid（相等如動物實驗中的老鼠）培植出“失明”的植物，結果發現阿拉伯芥（和幾乎所有植物）擁有5類共11種感光細胞。***

相對於人只擁有5種感光細胞，植物的“視覺”在感知層面遠比人類複雜和先進。 人類依靠視覺建立圖像去了解世界， 植物的視覺則是針對它們的食物—光線的變化直接作出生理反應。 兩者的視覺系統極為不同，植物的光敏色素和人類視維細胞中的紅光視蛋白red photopsin雖然都用以接收紅色，但結構卻完全不同。

縱使如此，動物和植物在視覺系統裡還是可以找到演化的痕跡。 兩者都擁有藍光感光細胞「隱花色素cryptochrome」。 植物隱花色素的功能是控制「晝夜時鐘circadian clock」。***
與動物一樣， 晝夜時鐘指導植物的“生活”， 例如何時移動葉子和進行光合作用等。 隱花色素之所以接收藍光，是因為日出的第一線光是藍色的，人類亦倚賴相同的機制去調整內在的畫夜時鐘。

晝夜時鐘在動植物分界前早存在於單世胞生物， 最初的功能似乎是保護細胞避免受高濃度的UV輻射所損害。*** 在現今的細菌和真菌生物裡仍然可以找到它們的蹤蹟。

參考
《What a Plant Knows》, 2012, Daniel Chamovitz
本書入圍〈Amazon’s Ten Best Science & Math Books of 2012〉