植物的根为什么向下生长？

在我们的《生物》书里有一个很经典的实验，叫做“植物的重力感应”。这个实验是这样的：老师拿来两株生了根的豆芽，一株根尖向下，一株根尖向上，分别放在合适的环境下培养，过了一段时间，我们会发现两株豆芽的根都向着地面的方向生长了。这种根的“向重力方向生长”现象早在几千年前就已经被人类所熟知，但在很长一段时间内，科学家对这一现象的解释都与我们课本给出的解释如出一辙——植物会感应到重力的方向，从而调整根的生长方向，那么，植物又是怎么感应到重力方向的呢？近年来，科学家才初步有了一个解释。

　　要揭开这个秘密，我们就不得不提到一位名叫“哈伯兰特”的奥地利植物学家，他在经过无数次的观察、研究后发现，虽然植物的根会向着重力方向生长，但根的每一处对重力的感应程度并不相同，比如离根尖约1.5～2.0毫米的根冠细胞对重力就极其敏感，而接近地面的成熟区细胞则不太敏感。通过对比这些细胞的不同，哈伯兰特提出了著名的“淀粉-平衡石”假说。此假说认为，在植物根部的某些细胞里（原假说还提到了植物的茎部，茎的生长是逆重力方向，也与重力有关，本文重点说根部）含有很多饱含淀粉的颗粒，即所谓的淀粉体，当根向前生长时，这些比重略大的淀粉体在重力的作用下会像平衡石一样在根细胞的下部沉积下来，从而促使根向着重力的方向生长。“淀粉-平衡石”假说自提出的那天起就受到了各方的关注，有些科学家认为它完美的解释了根的向重力性，但也有科学家仍持有异议，比如在因基因突变而无法合成淀粉体的植物中，人们依然观察到了根的向重力性现象。

植物向上生长与重力有关

　　虽然争议仍然存在，但随着分子生物技术的发展，科学家们逐渐发现了越来越多的证据来支持“淀粉-平衡石”假说。首先，显微技术的进步让科学家看到细胞并非如以前想象般的那么空旷，在没有细胞器的地方，同样还有很多被称为细胞骨架的蛋白结构，这些细胞骨架就像建筑物的支架，一方面起到支撑、固定细胞内结构的作用，另一方面还起到运输物质、传递信号的通信网络作用。当淀粉体在细胞内运动时，必然会引起细胞骨架的变化。其次，分子生物学的发展，让科学家进一步意识到，这些骨架的变化又必然会引起信号传导的变化。至此，引起根向重力性生长的真正力量才初见眉目，它们就是我们再熟悉不过的Ca²⁺（正2价的钙离子，表示钙原子失去2个电子，形成正2价的钙离子。）和H⁺（氢正离子）。

首先来看Ca²⁺，对于生物学家而言，Ca²⁺并不陌生，在细胞信号的传导中，它是一种常见的物质，研究表明，Ca²⁺在调节植物正、负向重性反应中扮演着重要的角色，在重力的刺激下，液泡膜上的Ca²⁺通道可以迅速调节细胞质内的Ca²⁺浓度，从而使细胞对重力的变化迅速做出反应；而H⁺，它是引起细胞pH变化的直接原因，实验表明，H⁺的流动、pH值的变化与植物的向重力性反应数据相当一致，在受到重力刺激后，根冠细胞质外体的pH值明显减小。虽然现有的研究还不能完全阐明Ca²⁺和H⁺在根的向重力性变化中的确切作用机理，但在Ca²⁺和H⁺的双重作用下，根两侧的生长素浓度会出现明显的差异，根也就向着重力的方向弯曲了。