稻垣荣洋

植物的血型

人类和动物都有血液，那植物也有吗？

我们把植物切开，它也不会像人一样滴血，植物是没有血液的。但是，植物中的叶绿素和我们血液里红细胞中的血红蛋白非常相似。

叶绿素和血红蛋白的基本构造都是一样的。唯一的区别就是，叶绿素分子构造的中心元素是镁，而血红蛋白分子构造的中心元素是铁。叶绿素和血红蛋白的相似，只是个小小的偶然。植物和动物虽然形态外貌极不相同，其实基本的生存机制差别不大。所以，植物和动物有这些相似点，也不足为奇了。

人类有自己的血型。如果给植物也做个血型检查的话，就会发现和人的血液一样的反应物质——人的血型是由血液中的糖蛋白的种类决定的，而植物中，大约有10%拥有和人类相似的糖蛋白。如果给植物进行血型检查，会发现它们的血型多是O型和AB型的。举个例子，萝卜和卷心菜的血型是O 型，而荞麦的血型是AB 型。

豆科植物中，有一种名为豆血红蛋白的成分，是和人类血液中的血红蛋白非常相似的物质。

如果把豆科植物的根挖出来观察，就会发现上面有很多又小又圆、像小瘤子一样的东西，这些小瘤子叫“根瘤”，它里面住着一种叫“根瘤菌”的细菌。豆科的植物借助这种根瘤菌，可以吸收空气中的氮，使它们即使在缺氮贫瘠的土地中也可以生长。豆科植物为根瘤菌提供栖身之地和营养成分，作为回报，根瘤菌给植物进行固氮。豆科植物和根瘤菌这种互惠互利的关系，被称为“共生”。

但是，豆科植物和根瘤菌的这种共生关系，也存在一些问题。

为了给豆科植物固氮，根瘤菌需要耗费很多能量。而为了产生这种能量，根瘤菌需要进行有氧呼吸。也就是说，氧气是非常必要的，但是氧气的存在又会使固氮所必需的酶丧失活性，就没办法进行固氮。所以，豆科植物必须做到既要为根瘤菌运送氧气，又要将多余的氧气快速消除。为了实现这一目的，豆科植物自己生成了可以高效运输氧气的豆血红蛋白。

人类血液红细胞中的血红蛋白，可以高效地把氧气从肺部输送到全身，而豆科植物中的豆血红蛋白也是如此，可以高效地运输氧气。如果我们把新鲜的豆科植物的根瘤切开，就会看到像血一样的红色的东西渗出来，这就是豆科植物的血液——豆血红蛋白。

涡轮增压和狗尾巴草

大家都知道一种名为“狗尾巴草”的野草吧。狗尾巴草的学名叫阿罗汉草。在炎炎夏日里，我们会发现，就算是花坛里面每天都浇水的花朵、菜地里每天都浇水的蔬菜都枯萎了，在小路旁生长的狗尾巴草即便没有人来给它浇水，也能生长得格外茁壮。

实际上，狗尾巴草自身有着可以进行特殊光合作用的结构，这种高性能光合作用的系统被称为“C4循环”，而拥有C4循环的植物则被称为“C4植物”。

光合作用，是一种很高级的过程。就像汽车的发动机通过燃料的燃烧产生能量一样，植物则通过吸收光能，使二氧化碳和水发生反应，产生出能量——糖分。这个过程就是光合作用。即使是发明出了复杂如发动机的人类，至今也没能成功地研究出人工进行光合作用的方法。总是自认为很强大的人类，其实连一片叶子也造不出来。

一般的植物都是通过“C3循环”系统来进行光合作用的，所以被称为“C3植物”。C4植物也可以通过C3循环进行光合作用，只不过除了C3循环，C4植物还拥有C4循环。

C4循环，其实就像汽车的涡轮发动机一样。

涡轮发动机，可以通过涡轮增压器来压缩空气，把大量空气压进发动机，从而提升发动机的输出功率。光合作用的C4循环，就是将吸收进来的二氧化碳生成拥有4个碳元素的苹果酸之类的C4化合物，然后再把它们送到C3循环那里。也就是说，植物通过C4循环压缩了碳元素。因此，相较于C3植物，C4植物可以更好地进行光合作用。

除了狗尾巴草，还有很多其他的植物也属于C4植物。比如农作物中的玉米，就是一种典型的C4植物。

就像涡轮发动机可以在高速行驶时发挥其特殊的功能，高性能的C4光合作用，也可以在炎炎夏日的高温和强烈的光照下发挥出它独特的潜能。

要想进行光合作用，光是必不可少的，光照越强，光合作用的效果就越好。但是，如果光照过于强烈，就会超出光合作用的能力范围，使光合作用的效果停留在一个极限水平而无法更好，就像到达一定速度后，再怎么踩油门也无法加速的车一样。但是，C4植物就不同了，就算是再强烈的光照，C4植物也可以通过生成C4化合物，连续不断地进行光合作用。

C4植物还具有耐干燥的特性。植物为了进行光合作用，必须要打开气孔来吸收二氧化碳，但是一旦气孔打开了，水分也会从中溜走。C4植物会将气孔打开后吸收的二氧化碳进一步浓缩，所以可以一次性吸收大量二氧化碳。如此，就減少了打开气孔的次数。属于C4植物的狗尾巴草即使在炎热的夏日里也能够茁壮生长，就是这个原因。

即使C4循环这么厉害，全世界的C4植物也仅仅占了植物总量的10% 左右，因为C4植物也是有缺陷的。

C4循环，可以在高温强光的条件下发挥出非常厉害的光合作用能力，但是在低温弱光的条件下，C4循环不管吸收多少二氧化碳，光合作用的能力都没办法提高。而且为了运行C4循环，需要更多的能量支持，就效率来看，并不如C3植物。

因此，在热带地区，C4植物可以说有着压倒性的优势。但是，在温带或是寒冷地区，C4植物的这种优势可就发挥不出来了。就像是在畅通路段上可以马力全开、高速行驶的运动型轿车，到了需要缓慢行驶的拥挤路段，不仅不能发挥优势，还会徒增油耗。

而像仙人掌这种在极度干燥的地方生存的植物，又将C4循环再度进化了。

在汽车发动机中，有一个和进气、排气阀门的开合大有关系的部分，叫“凸轮”（cam，指机械的回转或滑动件）。高性能的汽车发动机会将凸轮分为进气用和排气用，拥有两套凸轮轴，这种结构被称为“双顶置凸轮轴”结构。很巧的是，仙人掌拥有的这种用于干燥地区的光合作用系统，也被称为“CAM”。植物的CAM，是景天科酸代谢（CrassulaceanAcid Metabolism，简写为CAM）的意思。虽然看上去和凸轮的英文名称字母相同，意思却大相径庭。

C4植物在进行光合作用时，减少了气孔开合的次数，但是每次气孔打开的时候水分还是会溜出去。CAM 植物则对这一点进行了改良优化。

光合作用需要的太阳光只在白天才有，但如果在白天的高温下张开气孔，水分就会很容易蒸腾出去。和C4植物一样，CAM 植物也同时拥有C4循环和C3循环，但是，CAM植物只会在气温相对低的夜间打开气孔，在气温相对高的白天则将气孔完全关闭，靠储存的碳元素进行光合作用。如此一来，通过白天和夜间这两套不同的系统，CAM 植物可以成功地抑制水分的蒸发。这个系统和晚上用温水来储存热能供白天使用的电热水器的原理非常像。

像仙人掌这样生长在干燥地区的植物，借由CAM 这种光合作用系统，可以提高忍耐干燥的能力。除了仙人掌之外，景天和菠萝也是非常具有代表性的CAM 植物。