向日葵如何每晚自動轉向東邊?科學家破解謎團

向日葵如何每晚自動轉向東邊?科學家破解謎團
Photo Credit: Stefan Puchner / picture-alliance / dpa / AP Images / 達志影像

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向日葵在成長期間,每天會隨着太陽的方向轉動,晚上又自動轉回而向東邊,像等待太陽出來。最近有科學家發表論文,解釋它們如何辦到這事,以及成熟的向日葵為何多數向東。

很多植物都會趨向有光一面生長,但向日葵就更加「貪心」︰成長中的向日葵會每天追隨太陽,天黑後會轉回面向東邊,等待日出。而成熟的向日葵就會「安定」下來,只面朝東邊。

人們早就發現了這個現象,但科學家一直未能找出確實機制。上星期五,一篇在期刊《科學》發表的論文就指出,向日葵靠內在的時鐘以及其感光機制配合,才導致其「追太陽」的奇特現象。

面朝太陽有優勢

研究團隊由來自維珍尼亞大學、加州大學戴維斯分校以及柏克萊分校的生物學家組成。他們首先希望確認,向日葵並非無緣無故要追着太陽轉,因此在實驗中束住了部份向日葵。結果發現它們跟能夠自由轉動的向日葵相比,生物質量少了7.5%、葉面積小了11%,可見懂得面向陽光有其優勢。

然後團隊就開跟研究,成長中的向日葵在晚間如何能自動轉回去面向東邊,像等待太陽出來一樣。他們指出有兩個可能解釋︰向日葵會按晝夜節奏轉動,或者它們有計時機制,每若干小時就轉動特定角度。

晝夜節奏與環境訊號

為找出答案,研究人員檢視在仲夏時分以及秋天時,向日葵的活動有甚麼分別。他們發現即使日照時間長度有別,向日葵仍然能夠調節轉向,在日出前轉回東面。因此可以判斷,向日葵是按晝夜節奏來改變方向。

其後他們調查光源方向會否影響其運動,所以將向日葵放到只有固定光源的室內。在最初幾天,向日葵還是會像平日般按時間轉方向,但其後會受到干擾,可見環境訊號會影響向日葵的轉向節奏。

模擬陽光的室內進行實驗。剛開始實驗時,室內燈光按照每天24小時的晝夜周期以及太陽軌跡移動,幾日後晝夜周期改成每天30小時。起初向日葵像在室外般轉動方向,但當晝夜周期變成30小時後,其活動開始變得失去規律,直到再轉回24小時的周期時,向日葵又回復正常。

向日葵「運動」的秘密

這些結果顯示,向日葵的活動同時受到其內置的生物時鐘以及外部環境刺激影響。但沒有肌肉的植物,如何能夠每天不斷「運動」?答案在於向日葵的莖部分成東西兩邊,晚間西邊長得較多,使花朵能轉向東面,日間則相反。

研究人員亦檢視向日葵莖部的基因,發展導致趨光性的基因在向日葵莖部兩邊出現差異,一種較常在晚間時莖部西半表現出來,另一種則較常於日間東半表現。他們估計,這些基因或負責影響生長素(auxin)的分佈及水平,從而控制莖部的生長及轉向。

一路向東

不過,為甚麼向日葵在成熟後不再轉向時,選擇停留在面向東邊呢?

團隊研究面朝太陽升起的方向,到底對向日葵有沒有好處。過往有研究顯示,花朵的方向可以提升其溫度,有助高山植物增加授粉機會,研究人員於是猜測,向日葵面朝東方也有類似效果。

他們以花盆在效野種植向日葵,並把一半的花轉為面向西邊,透過紅外線探測發現,面朝東方的向日葵更快變暖。而在早上時間,授粉的昆蟲探訪向東的花,要比向西的花多出5倍。而且,這個差別僅當向東的花比較暖時才會出現。研究人員亦有用暖爐為部份向西的花加熱,授粉昆蟲探訪這些較溫暖的花,明顯多於較低溫的向日葵,但仍不及面向東面的花。

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Photo Credit: Francois Lenoir / REUTERS / 達志影像

研究的結論是,溫度對面向東西兩邊的花吸引授粉昆蟲有直接影響,但並非唯一因素。研究團隊表示,未來會進一步研究溫度如何影響花朵,以及植物跟授粉昆蟲的互動。

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