趣味觀察：絞股藍(lán)藤蔓如何感知光線進(jìn)行向光生長(zhǎng)

這真是個(gè)有趣的自然觀察！絞股藍(lán)（Gynostemma pentaphyllum）作為一種攀緣藤本植物，其向光生長(zhǎng)的能力（向光性）是其生存和成功攀爬的關(guān)鍵。它感知光線并進(jìn)行定向生長(zhǎng)的過(guò)程，與其他高等植物類(lèi)似，但作為藤本植物，其表現(xiàn)更為明顯和動(dòng)態(tài)。其核心機(jī)制可以分解為以下幾個(gè)步驟：

感知光線：

• 感光部位： 主要發(fā)生在植物最敏感的生長(zhǎng)區(qū)域，尤其是莖尖（頂芽） 和幼嫩的莖節(jié)。這些區(qū)域含有豐富的感光色素。
• 感光色素（光受體）：
  • 向光素： 這是負(fù)責(zé)感知藍(lán)光的主要光受體。當(dāng)藍(lán)光照射到莖尖一側(cè)時(shí)，該側(cè)的向光素被激活。向光素本身是蛋白質(zhì)，其活性狀態(tài)會(huì)引發(fā)一系列生化信號(hào)。
  • 隱花色素： 主要感知藍(lán)光和近紫外光，在調(diào)節(jié)整體光形態(tài)建成（包括向光性）中也有作用。
  • 光敏色素： 主要感知紅光和遠(yuǎn)紅光，在調(diào)控避蔭反應(yīng)（當(dāng)周?chē)参锩軙r(shí)加速生長(zhǎng)以爭(zhēng)奪陽(yáng)光）中起重要作用，間接影響向光性。在向光性中，它可能參與調(diào)節(jié)對(duì)光方向的敏感度。
• 光信號(hào)的不對(duì)稱(chēng)接收： 這是關(guān)鍵！當(dāng)光線從一個(gè)方向照射過(guò)來(lái)（例如，從左側(cè)），莖尖左側(cè)接收到的光信號(hào)會(huì)比右側(cè)強(qiáng)。這種光照強(qiáng)度的差異被感光色素捕捉到。

信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與生長(zhǎng)素的不對(duì)稱(chēng)分布：

• 接收到不對(duì)稱(chēng)的光信號(hào)后，細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)通路被激活（涉及鈣離子流、特定蛋白磷酸化等復(fù)雜過(guò)程）。
• 這個(gè)信號(hào)通路的核心結(jié)果是導(dǎo)致植物生長(zhǎng)激素——生長(zhǎng)素（主要是吲哚乙酸 IAA）在莖尖的橫向（側(cè)向）再分配。
• 生長(zhǎng)素向背光側(cè)遷移： 在單向光照射下，生長(zhǎng)素會(huì)從受光照較強(qiáng)的向光側(cè)，向受光照較弱的背光側(cè)運(yùn)輸和積累。這種運(yùn)輸依賴(lài)于特定的生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（如PIN蛋白家族），它們的位置和活性受到光信號(hào)的調(diào)控。
• 結(jié)果： 導(dǎo)致生長(zhǎng)素在莖的橫截面上形成濃度梯度——背光側(cè)濃度高，向光側(cè)濃度低。

生長(zhǎng)響應(yīng)（彎曲）：

• 生長(zhǎng)素的主要作用是促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)（在低濃度下）。
• 由于背光側(cè)積累了較高濃度的生長(zhǎng)素，該側(cè)的細(xì)胞伸長(zhǎng)速度加快。
• 而向光側(cè)的生長(zhǎng)素濃度較低，細(xì)胞伸長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。
• 細(xì)胞伸長(zhǎng)速度的差異導(dǎo)致彎曲： 莖的兩側(cè)細(xì)胞伸長(zhǎng)速度不同，就像兩個(gè)不同速度的輪子會(huì)讓車(chē)轉(zhuǎn)彎一樣，背光側(cè)細(xì)胞伸長(zhǎng)更快，就把整個(gè)莖尖推向了光源方向，表現(xiàn)為向光彎曲生長(zhǎng)。

在絞股藍(lán)藤蔓上的具體體現(xiàn)與趣味觀察點(diǎn)：

動(dòng)態(tài)追蹤光源： 你可以嘗試改變光源方向（比如轉(zhuǎn)動(dòng)花盆或移動(dòng)臺(tái)燈），觀察絞股藍(lán)的莖尖和新長(zhǎng)出的卷須如何在一兩天內(nèi)明顯調(diào)整方向，重新朝向新的光源。這顯示了其感知和響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性。 卷須的協(xié)同作用： 絞股藍(lán)的卷須在感知到支撐物（如竹竿、籬笆）后會(huì)纏繞攀附。向光性幫助藤蔓的莖（主生長(zhǎng)軸）整體朝向光照充足的方向生長(zhǎng)，而卷須則負(fù)責(zé)抓住沿途的支撐物。兩者協(xié)同，確保藤蔓既能獲得充足陽(yáng)光，又能穩(wěn)固攀爬。光照可能也影響卷須對(duì)支撐物的感知和纏繞方向。 “探索”行為： 在光線較弱或方向不明確時(shí)，絞股藍(lán)的新生莖可能會(huì)表現(xiàn)出輕微的“搖擺”或“畫(huà)圈”生長(zhǎng)（回旋轉(zhuǎn)頭運(yùn)動(dòng)），這可以看作是在主動(dòng)探索周?chē)h(huán)境，尋找最佳的光照方向和潛在的支撐物。一旦探測(cè)到強(qiáng)光方向，生長(zhǎng)素的不對(duì)稱(chēng)分布會(huì)迅速穩(wěn)定下來(lái)，引導(dǎo)莖向該方向快速、定向生長(zhǎng)。 避蔭反應(yīng)： 如果絞股藍(lán)生長(zhǎng)在樹(shù)蔭下或其他植物旁，它會(huì)感知到紅光/遠(yuǎn)紅光比率的變化（這是被遮蔽的信號(hào)），觸發(fā)避蔭反應(yīng)。這通常表現(xiàn)為莖加速伸長(zhǎng)（節(jié)間變長(zhǎng)），同時(shí)向光性會(huì)引導(dǎo)它努力向有縫隙或更開(kāi)闊、光照更好的方向生長(zhǎng)，以擺脫蔭蔽。 觀察彎曲點(diǎn)： 彎曲主要發(fā)生在幼嫩的、仍在伸長(zhǎng)生長(zhǎng)的莖節(jié)區(qū)域。老化的、木質(zhì)化的莖節(jié)彎曲能力很弱。觀察新長(zhǎng)出的藤蔓部分，彎曲現(xiàn)象最為明顯。

如何趣味驗(yàn)證？

單向光實(shí)驗(yàn)： 將一盆絞股藍(lán)幼苗放在窗臺(tái)或臺(tái)燈旁（固定光源），觀察幾天內(nèi)莖的彎曲方向。然后調(diào)轉(zhuǎn)花盆方向180度，繼續(xù)觀察它如何重新調(diào)整彎曲方向。 遮光實(shí)驗(yàn)： 用不透明紙片或錫箔紙小心地遮住莖尖的一側(cè)（比如左側(cè)），制造人為的“背光側(cè)”。觀察幾天后莖是否會(huì)向被遮光的一側(cè)（左側(cè)）彎曲？這模擬了光照不對(duì)稱(chēng)。 對(duì)比生長(zhǎng)速度： 在均勻光照和單向光照下分別培養(yǎng)絞股藍(lán)幼苗，觀察其生長(zhǎng)速度和形態(tài)差異（單向光下的植株會(huì)明顯彎曲）。 觀察卷須與光： 注意卷須在光線充足和蔭蔽環(huán)境下的伸展和纏繞行為是否有差異？它們是否也傾向于伸向更亮的方向？

總結(jié)來(lái)說(shuō)：

絞股藍(lán)藤蔓通過(guò)莖尖和幼嫩組織中的感光色素（尤其是向光素）感知光照方向和強(qiáng)度差異。這種不對(duì)稱(chēng)的光信號(hào)觸發(fā)生長(zhǎng)素在莖橫截面上的不對(duì)稱(chēng)分布（背光側(cè)濃度高）。生長(zhǎng)素濃度的差異導(dǎo)致背光側(cè)細(xì)胞比向光側(cè)細(xì)胞伸長(zhǎng)更快，最終表現(xiàn)為莖向光源方向彎曲生長(zhǎng)。這種精妙的機(jī)制，結(jié)合其卷須的攀爬能力，使絞股藍(lán)能夠高效地“搜尋”并占據(jù)光照充足的空間，為其光合作用和生長(zhǎng)繁殖提供最佳條件。下次觀察時(shí)，不妨想象一下它莖尖細(xì)胞里正在進(jìn)行的那場(chǎng)精密的“光信號(hào)指揮下的生長(zhǎng)素運(yùn)輸與細(xì)胞伸長(zhǎng)競(jìng)賽”！ ????