奇异的太空苔藓
2007/6/1 来源:百科知识 作者:沈羡云


  太空无重力的环境下,苔藓会怎样生长呢?研究人员认为它也应该像其他在太空生长的植物一样,随机、无序地生长。但是出乎他们的意外,太空的苔藓却是按照一种奇特的方式生长。
  
  地球上的植物种子或幼苗,不管将它们放到什么位置上,由于受到重力和光的作用,幼苗和植株都是根朝下、茎朝上地生长着。这两种因素对不同植物的影响不同,有一些植物的生长主要受重力的影响,有一些植物受光的影响更大,植物家将这种现象称为植物的向重性和趋光性。为什么会出现这种情况呢?植物学家很早就发现植物有感受重力和光的“敏感区”。植物地下部分对重力最敏感的是在距根尖1.5~2.0毫米的根冠区,地上部分则是在距顶端11~18毫米局域内的细胞。
  
  植物与重力的关系
  
  对于植物是如何感受重力的,植物学家有不同的看法,一些植物学家提出平衡石学说,认为在植物感受重力的细胞中有一些比重较大物质,例如根冠柱细胞中的淀粉体,在重力作用下淀粉体沉淀到细胞的下部,对细胞施加压力,使细胞感受到重力;另一些植物学家则提出生长素学说,认为重力感受部位在受到重力作用后,促使生长素分布不均匀,重力使生长素向下转移,下侧由于生长素较多,生长就比较快。
  为了证实重力对植物生长方向的影响,植物学家将向重性的植物搬上太空,观察失重情况下植物的生长。果然不出所料,太空中的这些植物在缺少重力的控制后,就像一头乱麻一样杂乱无章地生长着。那么,是不是所有的植物的生长都受重力作用呢?有没有其他的机制在起作用?为此,科学家们看中了比较低等的植物——苔藓植物。
  苔藓是一种生长在泥土和岩石上的低等植物。它们喜欢生长在潮湿、阴暗的环境里。它们不开花,没有真正的吸收水和养分的根,只有一个茎,上面生长着很多称为原丝体的叶。茎和叶像海绵一样吸收水。在树干、岩石或潮湿地上生长的苔藓大部分矮小、稠密,像地毯一样。这次上天选的是一种普通的屋顶藓类。在地球上时,它生长的方向与重力方向相反,并有趋光性,就像一个漂亮火球。
  
  太空苔藓实验
  
  在1997年(STS-87)和2003年(STS-107)航天飞机执行任务时,植物学家们将屋顶苔藓送上天。负责这项实验的是美国植物学教授佛瑞德·萨克。在STS·87中只有3个苔藓的培养皿,只是为了初步了解太空失重条件下屋顶苔藓的生长情况。当萨克小心翼翼地从航天飞机上取下他们宝贵的培养皿,打开培养皿的盖子时,发现了意料之外的结果。于是,他们决定在STS-107中再进行一次重复实验,看看STS-87上的实验结果是否可靠。不过,这次的实验样品更多了,有46个装有苔藓孢子的皮氏盘,其中有一些盘中有很多培养皿。所以,当航天飞机着陆后,将有数千个苔藓样本可以供研究者们进行研究。这次实验的目的不仅要看苔藓在失重环境下发生了如何变化,还要研究太空中苔藓生长过程和了解为什么会出现这些变化。第二次实验的苔藓样本是放在2003年2月1日发射的“哥伦比亚”号航天飞机上。不幸的是这架航天飞机在返回再入的过程中发生爆炸,7名航天员遇难。不幸中万幸的是有些装有屋顶藓类样品的器皿却幸免于难,11个装有苔藓类的样本完好无缺,还可以进行实验分析。这样,科学家们得到了两次飞行实验结果。
  除了太空实验的样本外,为了了解重力对屋顶藓类的影响,在地面还设立了两个对照组。第一组对照组,让它们在佛罗里达州美国宇航局肯尼迪太空中心(KSC)的实验室中生长,观察在有地球重力的情况下屋顶藓类的生长情况;第二组是模拟失重组,将屋顶藓类放到一个地面的模拟失重装置——回转器中,这个回转器在旋转时,在一段时间里作用在实验样本中的合力是零,故可以在地面模拟失重的影响。这三组除了作用屋顶藓类样本的重力不同外,其他的条件都相同,如果它们生长的情况不同就可以说明重力的影响。航天飞机返回地球前,航天员用化学方法将培养皿中的苔藓样本固定,使它们停止成长,这样它们所处的状态就是飞行中失重环境下的状态,不受返回过程其他因素(如超重、冲击等)的影响。
  
  奇怪的实验结果
  
  使萨克感到意外的是什么呢?他们看到地球重力环境下生长的苔藓与在太空失重环境下和模拟失重环境下(回转器)里生长的迥然不同。在地球上生长的苔藓,重力完全控制着它们的生长方向:苔藓垂直向上生长,就像玉米地里的幼芽一样。但在航天飞机和回转器中生长的苔藓,按照以前太空中植物生长的情况,萨克等推测应该是随机、无序地生长。但实验的结果却出乎他们的意料,他们观察到屋顶藓类长成惊人有序的、顺时针的螺旋形状。科学家研究了太空苔藓在不同生长时期的变化,发现重力消失后,苔藓的生长分为两个时期,开始时像轮子中的辐条,细胞从它们原先播种的地方向外生长。后来,细丝的尖端以弧状生长,这样整个苔藓就生成顺时针的螺旋状。
  研究人员除了对这种现象感到十分惊奇,最感兴趣的是为什么苔藓类植物在太空中会长成螺旋状。研究人员推测在太空中屋顶藓类螺旋形状的出现是另外一种隐藏在它们体内的机制在起作用。在地球上,这种机制被重力的作用所抑制,到太空后重力的抑制作用消失了,屋顶藓类内在的机制起到主导作用,使它生成这种可爱的螺旋状。
  在地球上,苔藓原丝体中的淀粉颗粒由于受到重力的影响而下沉,成为影响原丝体生长的主要因素。在太空,由于重力的作用消失,细胞中重的淀粉颗粒不再下沉,而是在细胞内随意漂浮。这样,重力不再影响苔藓的生长了,苔藓应该像以前的太空中植物一样,随意地生长。但是,STS-87中的实验结果出乎人们的意料,在原丝体细胞中出现颗粒的聚集。科学推测影响太空苔藓生长的其他因素可能有两个:1)细胞骨架。植物细胞也有像人一样的骨骼,不过它是由多种蛋白组成的网状结构,在细胞内它的功能是将各种细胞器和膜结构组织起来,使它们各自行使自己的功能。细胞骨架有很多作用,其中一个作用是控制淀粉颗粒的移动。因此,太空苔藓原丝体中颗粒的聚集可能与细胞骨架有关。2)钙离子。钙离子可以自由进出细胞,控制着细胞顶部的生长。太空失重情况下原丝体中淀粉颗粒的这种奇特的聚集可能会影响钙离子的运动,然后控制着苔藓的原丝体朝着顺时针方向生长。
  太空苔藓的这种表现是十分有意义的。萨克说:“这个结果不同寻常,因为这是研究人员首次在太空中看到这种植物生长的反应。”目前还不了解太空苔藓出现这种奇特反应的原因,因此科学家们还要在太空进行进一步的实验,揭开太空苔藓生长的秘密。
  
  责任编辑 蒲 晖