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第10章 奇妙的绿色“工厂”(1)

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。

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