“增温”植物

植物自己会“增温”？

众所周知，植物的生长、发育等生理活动对温度是非常敏感的，尤其对极端低温是如此。事实上，植物对低温的忍耐能力非常弱，特别是当处在繁殖阶段时，植物更容易受到低温的伤害。因此，温度成为限制很多植物生长和分布的决定性因素。由此，我们不难理解为什么椰子树、橡胶树等植物只能生长在海南岛、西双版纳等常年温度较高的南方地区，要想让这些热带植物生长在像漠河、哈尔滨这样的寒冷地区几乎是不可能的。

面对大自然的束缚，为了让植物可在冬季或其他不适宜生长的寒冷地方生长，智慧的人类发明了一种可以增温的建筑——温室，又称暖房。温室是用一些能够透光、保温的特殊材料如玻璃、塑料板或塑料薄膜等制作的。那么，如何实现“保温”呢？这里所说的“保温”，实际上是增温。通常主要有两种为植物增温的方式：一是吸收太阳光中的可见光和红外光辐射；二是为温室提供各种热源，如高温蒸汽。正是由于有了温室，我们才可以在寒冷的冬季吃到新鲜的蔬菜和水果，才可以在哈尔滨的花园里看到只能长在热带的花草。

可是，有一个现象令我们不解：在寒冷的喜马拉雅高山或北极地区，在冰天雪地里，仍然有许多植物在开花、结果，绽放着它们生命的光彩！那么，这些植物又是如何忍耐严酷的低温环境的呢？科学家们通过长期的研究发现，这些植物已经进化出了一些非常绝妙的本领。为了抵御低温，一些植物除了通过驯化从生理上被动地适应低温外，还发育形成了一些非常巧妙的特殊的结构：它们将花或果实等重要的器官包裹在内部，那里的温度可以比周围的环境温度要高出很多，从而为它们的生长、发育提供适宜的温度条件。这很像我们人类为植物建造温室。这种特殊的结构通常由植物的各种器官经过变态发育而成，例如叶片经过变态成为包在花（或花序）外面的苞片。具有这种增温作用的植物被称为“增温植物”。

最早发现植物具有“温室效应”的是著名博物学家拉马克。从1778年拉马克首次发现到现在，200多年时间里，科学家共在12个科的上千种植物中发现了“增温”现象。那么，植物是怎么实现增温的呢？受科学理论和实验设备的限制，这个问题一直无法回答，相关的研究工作也主要是限于对现象的描述。不过，随着科学理论的发展和研究手段的改善，最近科学家通过大量研究，终于揭开了“增温植物”的神秘面纱。

主动增温：内部生化产热

研究人员发现，有的增温植物能通过自身的新陈代谢活动实现增温，最常见的途径就是通过呼吸作用。例如，天南星科植物在感受到外界温度较低时，其苞片内的有机酸（如丙酮酸）会激发线粒体内的氰不敏感呼吸活动（植物在进行呼吸作用时，电子并不通过常规的细胞色素系统，而是通过交替氧化酶系统，能够产生更多的热量，由于这种呼吸作用不受氰化物的抑制，被称作氰不敏感呼吸），氧化碳水化合物和淀粉等物质而产生热量。令科学家感到惊讶的是，这些植物还能根据外界环境温度的变化调整热量产生的速度，也即外界的温度越低，产生的热量越多，而在温度较高后，产生的热量较小或不产生热量。因此，即使外面的环境温度剧烈变化，苞片内的温度也保持在一个相对稳定的状态。很明显，这些植物能够调控温度，是一种主动的增温方式。这有点像我们人类建造的温室内有一个锅炉在不断地供暖气。

这种增温方式的典型代表就是天南星科植物，它们的整个肉穗花序都被包裹在一个佛焰苞构成的腔内。科学家通过测量发现，天南星科的喜林芋其腔内的温度比周围空气温度能高出许多，最高能高出30℃，以至于将手放进去就能感受到阵阵热感。而且，这种增温的现象还能持续较长时间，从开始开花到结束能持续一个星期左右。因此，当积雪还没有完全融化时，很多天南星科植物就已经开花了。

天南星科植物的这种神奇本领令我们人类折服。不过，与睡莲科的荷花相比，天南星科植物的控温方式还是略逊一筹。研究发现，当外界温度较低时，荷花的花托能够氧化蛋白质产生热量，使花托的温度迅速升高；而当外界温度高于其适宜的温度后，荷花又能主动地降低温度，即通过加速蒸腾作用来释放热量，就像我们人类在很热时身体会排出大量的汗液降温一样。由此可见，荷花的控温更加主动，即使外界温度在10～45℃范围内波动，花托的温度也能稳定在30～36℃之间。除睡莲科植物外，科学家还在木兰科、大花草科等植物中发现了这种精准的控温机制。由于这些植物能够自己产热，故又被形象地称为“产热植物”。

被动增温：外部太阳辐射加热

除了以上几种能主动产热的植物，还有一些增温植物，它们本身并不能产生热量，温度的升高主要依赖于外部的太阳辐射。最具代表性的是生长在喜马拉雅高山流石滩上的一种非常引人注目的草本植物——蓼科大黄属的塔黄。塔黄在开花时，部分叶片变态发育成为半透明的奶黄色苞片，苞片之间相互重叠形成一个封闭的腔，将整个花序包裹在里面，就像一个宝塔，高达1.5～2米，远远望去耀眼夺目，广受植物学家、生态学家和摄影爱好者的喜爱。科学家通过研究发现，这些苞片内含有大量的类黄酮，能够吸收和反射90%以上的紫外线辐射；苞片的半透明特性使它们能透过大量的可见光和红外光。对紫外辐射的阻挡，避免了繁殖器官受到高山强烈紫外辐射的伤害；透过苞片的具有高热量的可见光和红外光，能够迅速增加里面的温度，这些能量又被苞片所形成的封闭结构所保留，达到持续升温的效果。这与我们日常生活中见到的种植蔬菜的塑料大棚的升温原理极为相似。科学家通过测量发现，塔黄的这种增温作用在晴天可以达到8～10℃。

除了塔黄，具有类似结构的植物还有蓼科的苞叶大黄和菊科的毡毛雪莲，它们也是将花包裹在苞片形成的一个封闭的腔内，高热量的可见光和红外光透过苞片进入腔内，使内部的温度升高。不过，科学家发现，在晴朗的中午，苞叶大黄能增温10℃以上，毡毛雪莲却只能增温2.5℃左右。二者的增温效果为什么会有如此大的差别呢？这是由于它们的个体大小差异所致。塔黄和苞叶大黄的苞片所形成的腔高达1米以上，而毡毛雪莲所形成的腔仅高3～5厘米，二者的增温效果自然也就不一样。

另一类植物，如喜马拉雅高山地区广泛分布的罂粟科的全缘叶绿绒蒿和毛茛科的草玉梅，它们的花瓣大多为白色、黄色等比较浅的颜色，并且这些花瓣排列形成像凹面镜一样的结构，重要的繁殖器官（雄蕊和雌蕊）则位于中心的焦点处。在晴朗的天气，当太阳光照到花瓣时，这些具有高反射特性的花瓣就将太阳光反射、聚集到位于焦点处的雄蕊和雌蕊上，从而实现增温。这种升温的原理与我们平常使用的太阳灶如出一辙。据报道，草玉梅的这种增温作用能达到3～5℃。更令人吃惊的是，草玉梅的花还会像向日葵一样跟着太阳转动，以便吸收到更多的太阳能。

还有一类植物，如喜马拉雅高山地区和地中海地区广泛分布的鸢尾科植物，这些植物的花瓣为蓝色或黑色等深色，并且形成洞穴一样的结构。当太阳照在这些花上时，深色的花瓣能吸收大量的太阳辐射，使其“洞穴”内的温度迅速升高。最具代表性的这类植物当属鸢尾科的金脉鸢尾。测量发现，当太阳照到金脉鸢尾的花瓣后，其“洞穴”内的温度能迅速升高2～3℃。通过对比发现，不同朝向的“洞穴”升温效果完全不同：朝着太阳的升温最快，背向太阳的则没有明显的增温作用。

虽然上述三种植物增温的方式不一样，但都有一个共同的特征——强烈地依赖外部太阳辐射，都属于依靠太阳的被动增温。在阴天、雨天或夜间，这种增温效应就会减弱甚至消失。研究发现，在雨天或夜间，塔黄苞片内的温度与外界的空气温度没有明显的差别。

植物增温与传粉

不管是主动增温还是被动增温，植物都需要付出代价：像喜林芋等主动增温型植物需要消耗大量的营养物质（淀粉、脂肪或蛋白质）来产生热量，而像塔黄等被动增温型植物虽然可以利用太阳能增温，却至少需要投入一部分物质来发育温室结构。那么，植物付出这么多是为什么呢？牛顿曾经说过：“自然不行无用之举。”事实上，植物的“温室效应”能保护植物的繁殖器官（花或果实）不受低温的伤害。研究人员做了这样一个实验：他们将一部分塔黄的苞片去掉，结果发现去除了苞片的塔黄产生的种子，不管是重量还是萌发率都明显低于正常情况下塔黄产生的种子。由此可见，塔黄通过苞片提供的增温作用，能够促进花粉在柱头的快速萌发，加快花粉管的生长，以实现快速受精。另外，苞片还能为种子发育提供理想的温度条件。

在20世纪90年代以前，科学家普遍认为，温室植物的增温作用主要是为了保护植物的繁殖器官不受低温的伤害，以促进繁殖器官的快速生长和发育。但是，随着研究工作的深入开展，研究人员发现，植物增温的作用并不只这些，它还与为植物传粉的“红娘”——传粉昆虫有着密切的关系。

首先，增温能够招来传粉昆虫。原来，植物在开花的时候会产生特殊的气味（特殊的化合物），传粉昆虫正是依赖这些气味来定位正在开花的植物的，就像猎犬凭着气味找到猎物一样。研究证实，温度的升高有利于这些特殊的化合物迅速扩散，从而吸引到更多的传粉昆虫。

其次，植物的增温能够提高传粉昆虫的活动能力，提高传粉效率。甲虫、蜂类和蝇类是植物主要的传粉昆虫，这些昆虫的活动强烈地依赖于温度，当温度低于某个值时，它们是不能飞行的。例如，许多甲虫只有在胸部的温度达到30℃以上时才能飞行。因此，低温环境限制了这些传粉昆虫的活动能力。研究人员通过观察塔黄的传粉昆虫发现，当温度较低时，这些昆虫都趴在花上不动；当温度升高后，它们才开始传粉。

第三，增温能够降低昆虫的能量消耗。昆虫在低温环境下飞行，必须通过肌肉的收缩和振动来升高体温，这样必然会消耗更多的能量。科学家通过对比在天南星花内、外活动的甲虫能量消耗情况发现，在温度较低的花外活动的甲虫比在温度较高的花内活动的甲虫多耗费4倍能量。因此，植物的增温对于昆虫来说的确是一个不小的诱惑，能够吸引来更多的传粉昆虫。研究人员通过实验发现，当给一头雄蜂提供两个不同温度的花作选择时，雄蜂明显喜欢拜访温度较高的一朵花。

增温植物所拥有的以上种种“聪明才智”让我们叹为观止，而这不过是人类在探索自然过程中揭示的一小部分奥秘而已。随着科学研究的不断深入，相信会有更多神奇的现象被揭示。