为什么植物在太空里长得好（杭城科学名师解读）

“天宫课堂”第三课，10月12日下午正式开讲。神舟十四号乘组航天员陈冬、刘洋、蔡旭哲，在“新教室”问天实验舱，带来了一堂太空科普课。我们邀请了萧山中学生物竞赛教练黄云光和浙大附中物理教师马鸿欢，来给大家讲讲这堂课的奥妙。

刚萌发的水稻为何“吐水”？

在这次太空授课中，陈冬为大家展示了一个奇特的现象：刚刚萌发的水稻，在叶尖上出现了一个晶莹的小水珠，水珠越来越大，直到贴到了生长盒的壁上，在透明玻璃的内壁上连成一片。

其实，类似的现象大家住在地球村也同样能够看到。“田间泥土润，叶上珠露香”，所谓露珠，便是以上现象的同胞兄弟。

这个现象被科学家们形象地称之为“吐水”。大家都知道，植物吸水的主要动力是“蒸腾作用”，靠叶片上一些叫做“气孔”的小洞洞，使得叶片中水分快速蒸发，在白天给饱受日晒的叶片降温的同时，使得叶片处于一种失水的状态。这时叶子便会通过吸管一样的叶脉（准确地说，叶脉中的“导管”）向与之相连的茎，乃至地下的根吸取水分。

通过这种方式，水分从地底被吸进植物，又通过茎被拉上叶片，最终散失到大气中，植物也获益于此，为体内物质的运输搭建了一条便捷的“水路”。然而，蒸腾作用并不是植物吸水唯一的方式。

在空气湿润的夜晚，叶子没有光照罢了工，气孔关闭，蒸腾微弱，但物质仍在植物体内运输，这是为什么呢？原来，虽然此时叶片没法在上面“拉”，但根“自己动手”，在底下把水往上“压”，也完成了“水往高处流”的运输任务。

这是通过一种奇妙的机制来实现的：在根的根毛表面存在一些特别的蛋白质，它们像是“黄金矿工”一样从溶有各种溶质的土壤液体里抓住那些溶质，收纳进细胞内部，通过这种主动耗能的方式，细胞内的溶质浓度越来越高。又由于水有自发地从低浓度液体转移到高浓度液体的倾向，水分也随矿物质一同涌入细胞内。以此类推，表层的细胞从土壤中吸水，内层的细胞从外层细胞吸水，直到最内层的细胞吸饱了水，只好把水不停地往上压出去。积少成多，众志成城，水流在导管内重新流动，从而实现了在夜晚植物也能完成水分的运输。

介绍完了根压的原理，我们再次见到清晨发现的露珠，便能想到，那是整整一夜根用尽力气从地底泵到地面的水源，叶片内水分如此充足，以至于在叶片的边缘被压出几滴晶莹剔透的露珠，带给早起的人们美好的视觉感受。

失重条件下，植物为何仍向上长？

决定植物的根和茎生长方向的因素有很多，最有意思的可能就是向重力性了。植物的根部细胞中有重力感受器，它们工作的方式非常原始却又很有效，它们其实就是一个一个小淀粉体，在细胞里面重重的，会沉在细胞的底部压着那里的细胞壁，所以当细胞感受到哪里有重物压着的时候，哪里就是向下。在太空中，微重力环境导致这样的机制不再有效，可以想象这些淀粉体转而在细胞中漂浮。但是还有其他的机制可以帮助植物找到上下，比如说向水性、向化性（根在土壤中总是朝着肥料多的地方生长），植物的根会向潮湿的有营养的地方探索，所以天宫中的植物还是可以把根伸进土里，而茎则朝着有光的地方生长。

为什么这些动植物能上太空旅游？

研究人员使用拟南芥和水稻做了植物方面的研究。在回答问题时，航天员说斑马鱼、线虫也在太空中参与过实验。这些动植物之所以拥有上太空旅游的特权，是因为它们都是模式生物，通常易于繁殖饲养，基因组简单可操作，又能代表大部分相似的生物，非常适合作为实验材料。

经过基因编辑的早开花种子的开花期真的提前了很多，这就是基因操作成功的证明。

植物基因组的编辑和动物的不太一样，因为对动物的一个细胞进行编辑，然后它自己就可以长成一个完整的动物。而植物需要利用它的营养繁殖能力，使用组织培养技术，把使用核酸酶编辑过的细胞养成一个完整的植株，然后再检验它的基因是否编辑成功，获得它的种子或者繁衍更多代，再把它种到太空上去。这些都是非常需要耐心的工作。

植物开花有什么奥秘?

植物开花的机制是很神奇的，有的植物要长到一定的叶片数才会觉得自己已经长大了可以开花了。外界的刺激对于植物来说也是很关键的，它们会感受季节变化和昼夜更替，接收开花的信号。

植物感受光照周期变化并发出开花指令的器官是什么呢？答案是叶子，大家都知道叶子会进行光合作用来制造糖类，但是与光打交道的工作也让它对昼夜时间的变化格外灵敏。

植物和人一样也有自己的生物钟，光受体和生物钟之间相互作用使得一些关键的蛋白得以表达，然后开始启动整个花器官发育以及开花的程序。

除了光之外，温度也是一个重要的因素，温度的改变和光照的改变一样代表着季节的变化。春天到来的时候有很多植物会开花，大家都本能地以为是植物们感受到了温暖的空气，实际上，真正给植物开花信号的却是冬天的低温，大多数植物缺乏低温的刺激就不会开花，所以花儿们都知道“冬天来了，春天还会远吗？”何尝不是一种自然的智慧。

太空里为啥能用2米吸管吸水？

平时我们在用吸管饮水时，实际并不是直接吸的水，而是通过吸气动作在吸管内产生一定的气压，在大气压的共同作用下将液体“压”进吸管。如果在地球上从低向高吸水，吸进吸管的液柱还要受到重力的作用，因此吸管越长越费力。在一个标准大气压下，其可上升的极限高度可由液体压强公式估算不超过10米。

而课上，刘洋用了一根2米长的吸管，在任意方向都可以不费力地吸出水来，就是因为在太空环境中，吸管内的水柱不再受限于重力的作用。

人体的血管就好像长长的吸管，在地球环境中，血液向上流和向下流是完全不同的受力情况，因此人体进化出一套适应机制，这种机制在太空里却不适用了，因为“在任意方向吸水”都是一样的难易程度，所以宇航员们需要通过蹬自行车锻炼，穿加压宇航服等等方式让身体适应这种不同的物理环境。

（萧山中学学生胡豪杰、马雪纯对此文亦有贡献）

（原标题《“天宫课堂”第三课开讲 杭城中学科学名师解读——太空中，植物如何生长 人类如何生活》。编辑倪冰）