论文-力学与植物生长

1、力学与植物生长摘要：力学的出现是与我们的家园地球同步的，可以说 没有力学就不会有有条不絮地运转的地球，更不会有我们人 类。植物作为生物的一部分，有不可代替的作用，但孰知植 物的生长与力学密不可分。关键词：失重植物，生长，向地性与负向地性，感受刺 激，水平生长，结合一、引言植物，对于人类来说至关重要。它不仅提供给人类食物， 同时净化空气，不仅吸收了二氧化碳，而且生产出了人们必 须的氧气。这充分说明使植物良好生长的重要性，我们可以 不假思索地说：没有植物就不会有人类，更确切地说，就 不会有生物-。但大家是否知道，植物的生长竟然与力学有着 密切的关系。植物生长受重力等因素的影响。二、重力对植物生长的

2、影响1失重对植物生长的影响：自从有生命以来，生物一直 生活在地球表面引力环境中。在实现了人造卫星绕地球作轨 道飞行后，才遇到较长时间的失重问题绕地球作轨道飞行引 起失重是因为物体加速到第一宇宙速度（7.9公里/秒）时，所 产生的惯性离心力与地球引力大小相等，方向相反，互相抵 消，物体就失去重量，处于失重状态。实际上，由于惯性离 心力与地球引力不能完全相等，因此严格地说，生物是处于 微重力状态，即在零到千分之几G的范围内波动。G=mg， 为作用于物体上的加速度，为重力加速度。在地球上生长 的植物的根总是朝着重力作用的方向生长，称正向地性，而 茎总是背着重力作用方向生长，称负向地性。这是由于植物

3、内部有感觉重力的器官平衡石所致。细胞中的淀粉颗 粒就是一种平衡石。当植物种子处于横放位置发芽时， 因受重力的影响，平衡石可以累积在根和茎细胞的最下部， 刺激生长素从一个细胞输送到另一个细胞。它对茎细胞的作 用是使下部细胞扩大较快，使上部细胞扩大较慢，于是茎就 逐渐向上弯曲。对根来说，则相反，根的下部细胞扩大较慢， 而上部细胞扩大较快，于是根就向下弯曲。当植物处于失重 时，平衡石在细胞内处于均匀分布状态。如果在生物卫星中 把植物种子的胚芽朝上下左右不同方向放置，则根、茎生长 方向很不规则，长出的根长度差别也大（120毫米）。大 部分植物在失重时，生长和发育过程加快，可增加产量，有 些作物则发育很

4、慢。地球引力怎样影响植物生长：植物 也和地球上一切生物一样，是在地球引力场作用下生长、 生存的。那么这种引力场对植物生长起着什么作用呢？人们 知道，正是因为引力场的作用，树上落下的苹果才能掉到地 面上，人才能脚踏实地在地面上行走。但是，人们还 是不明白，一颗种子播下、发芽后，它的根为什么总向下生 长，而它的茎则总是向上生长。于是有人试着把幼苗横过来 水平放置，使它的根和茎能平着向两头生长。奇怪的是，过 了几个小时，幼根还是向下生长，幼茎仍然向上生长。后来 干脆倒过来，让根向上，茎向下。结果，过不了多久，植物 的根还是要向下长，茎弯过来仍会朝上生长。科学家研究认 为，这也是地球引力引起的，因为从

5、现象上看，植物的根总 是朝与引力方向一致的方向生长，茎则总是朝与引力方向相 反的方向生长。19世纪初，有一位叫纳依托的科学家，他 做了一个验证引力对植物生长影响的实验，他把几株不同的 幼苗放在一个车轮的螺丝孔里，然后，使车轮绕轴转动起来， 使植物一直处在失重状态下生长。结果发现，植物的 根朝向心力方向生长，而茎却朝与向心力相反方向生长。由 此可见，根是朝受力方向生长的，茎是朝背离力的方向生长的。在前苏联的礼炮号宇宙飞 船吕，科学家也做过小麦、洋葱和番茄等植物在失重情况下 的生长试验，结果发现，植物的根浮到空间来了，而茎却倒 过来伸到土中。因此，科学家在飞船中给植物施加了一个外 向离心力，形成一

6、个人造重力场。这样，植物生长就正常了。 经过6 3天，小麦便长出了麦穗；一个月后，洋葱就结实了。 接着又试种了郁金香，几个星期后，茎高5 0厘米，而且有 了蓓蕾。但是，当消除了夕卜加的离心力后，植物就突然萎缩， 鲜花也就凋落。这是什么道理呢？一些科学家认为，植物 的根和茎上都有生长素，但两种生长素的性质是不相同的。 也不知是什么原因，根只要很少一点点生长素就能促进生 长，多了反而会抑制生长；茎则恰恰相反，需要较多的生长 素才能生长，少了反而会抑制生长。在地球的引力作用下， 生长素向下流动，对根部来说，下部的生长素越多，生长越 慢，上部生长快，根的上部就把根尖向下推动，使它深深地 扎在土壤里；对

7、茎来说，下部生长素多，生长快，上部生长 素少，生长慢，所以植物茎总是向上顶，使它背离弓I力方向 生长。当根与茎处在水平位置时，在弓I力作用下，根的上部 生长素少，生长快，使向下弯曲；而茎的上部生长素少，反 而生长慢，因此又赂上弯曲。所以会形成植物根向下生长， 茎向上生长的现象。这些解释能不能认为就是谜底，还不 能肯定。即使是这样，也还有一些不知道的原因。引力对植 物生长的影响，还会涉及到外星球的开发，那里的引力场不 一样，又怎么办？向重性运动：植物感受重力刺激，并在重力矢量方向上发 生生长反应的现象称植物的向重性。种子或幼苗在地球上受 到地心引力影响，不管所处的位置如何，总是根朝下生长， 茎朝

8、上生长。这种顺着重力作用方向的生长称正向重性 (positive gravitropism),逆着重力作用方向的生长称负向重性 (negative gravitropism)o通常初生根有明显的正向重性，次生 根则几乎趋于水平生长；主茎有明显的负向重性，但侧枝、 叶柄、地下茎却偏向水平生长。根的正向重性有利于根向 土壤中生长，以固定植株并摄取水分和矿质。茎的负向重性 则有利于叶片伸展，并从空间获得充足的空气与阳光。对重 力的感受只限于生长器官的某些部位，如离根尖约1.52.0mm的根冠、离茎端约10mm的一段嫩组织以及其它尚 未失去生长机能的节间、胚轴、花轴等。此外，禾本科植物 的节间在完成生

9、长之后的一段时间内也能因重力的作用而 恢复生长机能，使节在向地的一侧显著生长，故水稻、小麦 在倒伏时还能重新竖起。这是一种非常有益的生物学特性， 可以降低因倒伏而弓I起的减产。植物对重力的反应，受重力 加速度、重力方向和持续时间的影响。在地球上，重力加速 度和重力方向是恒定的，因而向重性反应主要受持续时间影 响。通常把植物从感受重力刺激到出现生长反应所需的时间 叫反应时间，从感受刺激到引起反应的最短时间称为阈时 (prese ntation time)。若将根从垂直方向(g)改为水平方向(g) 放置，细胞中的淀粉体向g方向沉降，其结果右侧细胞中的 淀粉体压迫内质网的程度要比左侧细胞大。(X.S

10、ievers & Volkmann , 1972)般情况下，幼苗的根或茎的阈时为2 10min反应时间约为1560min。将幼苗先平放一段时间(大 于阈时)，诱导向重性反应，然后在没发生外观弯曲生长前返 回原状，若干时间后，幼茎或根尖仍会稍稍弯曲生长。向重 性反应一般不受光的影响，但受温度与氧浓度的影响。温度 高、氧气充足时，反应时间短。(1)根的向重性1880年达尔文就已注意到植物向重性 生长这一生理现象。C holodnyWent生长素学说认为，植物的向重性生长是由于重力诱导对重力敏感的器官内生 长素不对称分布，而引起器官两侧的差异生长。按照这个假 说，生长素是植物的重力效应物，在平放的根

11、内，由于向地 一侧浓度过高而抑制根的下侧生长，以致根向地弯曲。根中 感受重力最敏感的部位是根冠，去除根冠，横放的根就失去 向重性反应。根冠的柱细胞中含有淀粉体(amyloplast),有人 将此淀粉体称为平衡石(statolith)，柱细胞被称为平衡细胞(statocyles)(图8-30)。平衡石学说认为柱细胞中的淀粉体(密度为1.3)具有感受与 传递重力信息的功能。根的向重性信号感受及传导的可能 过程归纳下部的淀粉体随重力方向沉降，此过程被视为”重力 感受”；(2)淀粉体的沉降触及内质网，使Ca2+从内质网释放; Ca2+在胞质内与 CaM结合(根冠中存在较高浓度的 CaM) ； (4)C

12、a2+CaM复合体激活质膜 ATPase ； (5)活化的 ATPase把Ca2+和 IAA从不同通道运出柱细胞，并向根尖 运输。许多实验指出Ca2+对IAA运输及分布起重要作用。 玉米根冠部预先用Ca2+螯合剂EDTA处理后，重力影响 IAA极性运输的现象会随之消失，但若在根横放前先用Ca2+处理根冠，IAA极性运输则恢复。当把含有Ca2+的琼 脂块置于垂直方向放置的玉米根冠一侧时，根会被诱导转向 放琼脂块的一侧而弯曲生长。当测定重力对放射性Ca2+在 根冠中运输的影响时发现，放射性Ca2+更多地运到受重力 刺激的下侧。根据这些实验结果，有人提出了 Ca2+和生长 素在根向重性过程中重新分布

13、的模式IAA在地上部合成， 经维管系统运输到根，当根尖处于与重力线方向平行时，根 冠细胞中淀粉体沉降在柱细胞的底端，此时Ca2+和运到根 冠的IAA向四周平均分配。然后IAA再经根皮层向基方向 运至根伸长区，以促进伸长区细胞均衡伸长，使根仍与重力 线方向平行生长(图8-32A)。但当根处于水平方向时(图 8-32B)，淀粉体沉降至柱细胞下侧，从而促进Ca2+与IAA 在下侧释放。Ca2+还增强IAA进入向基性的运输流，使IAA更多地经皮层运输到根的下侧，并在下侧积累。这种超 最适浓度的IAA会抑制根下侧的伸长，从而引起根向下弯曲 的运动反应。(2)茎的负向重性茎的负向重性反应机理可能与根的向

14、重性机理大体相似。通常认为，地上部分弯曲部位就是重力 感受部位。谷类作物的重力感受中心可能是节间基部皮层组 织中含淀粉体的薄壁细胞，以及叶鞘基部含叶绿体的细胞， 感受重力的受体是淀粉体或叶绿体。淀粉体或叶绿体在细胞 内的位置，会因茎的倒伏而很快发生变化。淀粉体或叶绿体 的重新分布刺激液泡或内质网，促进Ca2+的释放。胞液内 Ca2+浓度的增加促进一系列的反应，并引起生长类激素的不 均等分布。与茎的负向重性有关的激素可能有IAA及GA。 这二种激素均能促进细胞伸长生长。以玉米苗为例，在处理 3分钟后中胚轴发生IAA不对称分布下侧的IAA浓度高 于上侧；5分钟后中胚轴开始表现向上弯曲生长。显然这种

15、 弯曲生长不是细胞分裂，而是细胞伸长所致。横放处理后燕 麦茎及叶鞘中的IAA不均匀分布更为显著，下侧IAA浓度 比上侧高1.5倍；横放后IAA含量比对照(垂直)增加7 倍。这种差异可能来自于结合态IAA的水解，因为在燕麦 叶鞘基部与氨基酸结合的IAA含量很高。横放处理也能影 响燕麦叶鞘基部GA的分布：即上侧含有的GA主要为结 合态，而下侧含有的GA多为游离态。测定横放处理后在燕麦茎内放射性GA的分布，得到与上述相似的结果。由此看来，茎的负向重性反应是茎平躺后，生长素和GA 在茎中的不均等分布弓I起的，即下侧有效浓度高，促进茎细 胞伸长，从而使茎向弯曲。三、磁场力对植物生长的影响提到磁，许多人认

16、为它是很少见的，好像只有磁铁吸引 铁，指南针指示南北方向，才同磁有关。其实，在我们的日 常生活中，遇到磁和使用磁的事例是非常多的，例如电视机 和收音机中都有使用多种磁性材料制成的器件，在各种生产 活动中，应用磁性材料和磁场的事例就更多了。例如电动机 和发电机在机械能和电能相互转化的过程中，都离不开磁场 的作用。科学研究还表明，包括我们人在内的生物也与磁有 密切的关系。不但一切生物具有磁性（主要是弱磁性），在 生命活动中会产生很微弱的磁场，而且也会受外界磁场的作用，对生命活动产生 定的影响，目前广泛应用的磁疗法，就是利用磁场治疗疾 病，达到去除病患，强身健体的作用。很多动物试验，也证 实了不同强度的磁场及作用时间的长短，对动物的生长发育 产生或正或负的作用。其实磁物对植物的生长发育也有有影 响。磁场对种子的发芽率及根的生长方向有明显的影响。磁 场可以促进种子发芽率的提高，而且比相同条件下的种子提 前三天发芽，长势均匀、粗壮。磁场可以促进种