自然史 · 第二章 光合作用和蒸騰作用

通過光合作用將光能轉化為化學能，是植物與動物的最大區別。藉助於光合作用，植物不僅可以提供自身所需要的各種養分，還能為地球上的人類和動物提供維持生存的氧氣和食物。對植物而言，它們吸收的水分有一小部分會被蒸發掉，大部分則用於蒸騰作用。 第一節 光合作用 光合作用是指綠色植物通過葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉化成儲存能量的有機物，同時放出氧氣的過程。植物細胞中的葉綠體因此也被當作是陽光傳遞生命的媒介，我們吸入肺中的氧氣，都是植物進行光合作用時釋放出來的；我們食用的食物，也都是直接或間接地由植物的光合作用製造的有機物。 人們在早期曾認為，我們從植物中攝取的營養都是植物從土壤中獲得的，直到1773年，英國科學家普利斯特利（Priestley）做了一個實驗，才讓人們對植物有了進一步的認識。普利斯特利的實驗是這樣的：先將一隻小白鼠和一支燃燒的蠟燭，分別放進一個密封的玻璃罩裡面，小白鼠很快就死了，而蠟燭也在玻璃罩里熄滅。接著，普利斯特利又將一盆植物和一隻小白鼠放入一個密封的玻璃罩中，將一盆植物和一支點燃的蠟燭放進另一個密封的玻璃罩中。這時，他發現植物能夠長時間保持存活狀態，蠟燭沒有馬上熄滅，而小白鼠也安然無恙。於是他認為，植物能夠淨化由於蠟燭燃燒或動物呼吸而變得污濁的空氣。普利斯特利的這個實驗改變了人們對植物的看法，也推進了人類對植物更加認真的研究，從此以後，人們對於植物的了解越來越深刻。 植物沒有消化系統，這也是植物與動物的最大區別，因此它們必須依靠其他方式攝取生長所需要的養分。植物需要在陽光充足的白日裡，藉助於陽光的能量進行光合作用，從而獲得自身生長必需的養分。在這個過程中，植物細胞內的葉綠體發揮著關鍵的作用：葉綠體在陽光的照射下，將由氣孔進入葉子內部的二氧化碳和由根部吸收的水分轉化為葡萄糖，這一過程不僅能夠為植物自身的生長提供養分，同時還會釋放出動物和人類呼吸所需要的氧氣。 光合作用能夠為人類和動物的生存提供最基本的物質來源和能量來源，因此光合作用對於人類和生物界來說，都具有至關重要的意義。 光合作用的重要意義大致可以概括為以下四點： 第一，通過光合作用，植物能夠製造出大量有機物。據科學統計，綠色植物每年可以製造4000億至5000億噸的有機物，這高出了地球上每年的化工產品總量。所以，人們把綠色植物比喻為「綠色工廠」。 第二，通過光合作用，植物可以轉化並儲存太陽能。植物將太陽能轉化為化學能，並儲存在光合作用製造出來的有機物中。地球上幾乎所有的生物，其進行生命活動所需要的能量，都是直接或者間接來自於綠色植物製造的能量。 第三，通過光合作用，植物能夠讓空氣中的二氧化碳和氧氣的含量相對穩定。我們知道，所有生物都是依靠呼吸氧氣生存的。據統計，地球上所有生物每秒就要消耗大約1萬噸氧氣，按照這樣的消耗速度，空氣中的氧氣大約2000年就會用完；一旦氧氣耗盡，也就意味著地球上的生物會隨之消失。植物的光合作用避免了這種情況的發生，通過光合作用，綠色植物在消耗二氧化碳的同時釋放出氧氣，因此保證了大氣中氧氣和二氧化碳的含量維持在相對穩定的狀態。 第四，植物的光合作用對於生物的進化具有重要的作用。我們知道，地球在形成之初是沒有生命的，因為那時綠色植物還沒有出現，地球的大氣中也就沒有氧氣。當綠色植物在地球上出現並漸漸占據優勢之後，大氣中才慢慢有了氧氣，那些必須通過有氧呼吸生存的生物才在地球上逐漸發展起來。 第二節 蒸騰作用 蒸騰作用是指水分（主要是葉子的水分）從植物體表面，通過水蒸氣的形式散發到大氣中的過程。這個蒸騰過程與我們在物理學上學習的蒸發作用不同，因為蒸騰作用不僅會受到外界環境的影響，還會受到植物本身的調節和控制，所以植物的蒸騰作用是一種比物理學上的蒸發作用複雜得多的生理過程。蒸騰作用的發生無關植物的大小，即使再幼小的植物也能進行蒸騰作用。 葉片是植物進行蒸騰作用的主要部位，蒸騰作用通過兩種方式進行：一種是通過葉片角質層進行，叫作角質蒸騰；另一種則是通過葉片氣孔進行，叫作氣孔蒸騰。水分對於植物的生長極其寶貴和重要，如果喪失水分，植物將會受到嚴重的傷害。因此，為了降低蒸騰作用對植物造成的不利影響，植物在葉片表面進化出一層角質層，這個角質層正好能夠有效地阻止植物的水分流失。除此之外，植物葉片上還有結構精緻的氣孔，這樣也能最大限度減少水分的流失，所以氣孔蒸騰也是蒸騰作用的主要方式。 如果說植物的光合作用是為地球上的所有生物造福，那麼植物的蒸騰作用則完全是為自身服務。因此我們可以認為，蒸騰作用是植物吸收水分和運輸水分的主要動力，它能夠形成壓降，促進植物將底部的水分向植物的上部運送，換言之，如果沒有蒸騰作用，植物頂端的莖葉就吸收不到水分，整棵植物自然也不能正常生長。此外，蒸騰作用還能降低植物體表面和葉片表面的溫度，增加葉片周圍的濕度，這樣就能夠有效防止有害強光灼傷葉片。同時，蒸騰作用還能夠令周圍的空氣變得濕潤，尤其炎熱的夏天是植物進行蒸騰作用最強烈的時間。此外，蒸騰作用也能夠引發液流上升，有助於將礦物質和根部深層的有機物運送到植物頂端。蒸騰作用還能打開植物葉片的氣孔，讓植物更好地進行呼吸作用和光合作用。但是，蒸騰作用對於植物的水分會有較大影響，比如一株玉米從小到需要消耗200至300千克的水，但它本身能夠吸收的水分只有1%，剩餘的99%都被蒸騰了。因此，在濕度條件較高的地方，植物生長往往比較茂盛，這也是熱帶濕度高的地方會有大片樹林的原因。