王丟兜 @ 2015.08.20 , 10:00 am
宇航員Cady Coleman在柯侖比亞航天飛機上收獲我們的植物。NASA, CC BY
重力是地球上所有生物體的常量，它影響我們生理、行為和發(fā)育的方方面面——不管你是哪種生物，你在演化環(huán)境里都是由重力讓你接上地氣。
但是，當你離開(kāi)熟悉環(huán)境，被放到演化經(jīng)驗之外的情況中，會(huì )發(fā)生什么？這也是我們每天都會(huì )問(wèn)
實(shí)驗室里的植物們的問(wèn)題。一開(kāi)始它們是種在這里的地面實(shí)驗室中，但它們也正在去往太空的旅途之中。對于一株植物來(lái)說(shuō)，還有什么環(huán)境能比零重力太空飛行更新奇呢？
通過(guò)研究植物對于太空生活會(huì )有什么反應，我們能更好地學(xué)習它們如何適應環(huán)境變遷。植物不僅對于地球生命的幾乎所有方面至關(guān)重要，它們對我們探索宇宙更為關(guān)鍵。當我們展望太空殖民的可能未來(lái)，了解植物在離星條件下如何表現對我們生死攸關(guān)，我們然后才可以依賴(lài)它們在太空前哨站里循環(huán)空氣和水，并為我們提供食物。(相關(guān)蛋文：
太空作物豐收：宇航員一小口，人類(lèi)一大口)
宇航員Jeff Williams在國際空間站上收獲我們的擬南芥植株。NASA, CC BY
所以，即使我們還在這里呆在地上，
我們的研究植物已經(jīng)升空飛往
國際空間站。它們已經(jīng)就零重力生長(cháng)帶給我們一些驚喜——也動(dòng)搖了我們關(guān)于植物在地球上如何生長(cháng)的一些想法。
從重壓下的植物身上學(xué)習
如果你對環(huán)境壓力感興趣，植物就是特別好的研究對象。因為它們只能呆著(zhù)不動(dòng)——生物學(xué)家們所謂的固著(zhù)生物——植物必須機智地就地應對環(huán)境扔給它們的任何狀況，它們沒(méi)有移動(dòng)到更有利地點(diǎn)這個(gè)選項，對于改變周遭環(huán)境也做不了什么。
但它們能做的是改變它們的內部“環(huán)境”——而植物是操控新陳代謝來(lái)應付周遭滋擾的大師。這種特性正是我們在研究中使用植物的原因之一；即使是在新奇的太空環(huán)境里，我們也信任它們會(huì )敏感地匯報環(huán)境改變。
自從我們有能力進(jìn)入太空以來(lái)，人們一直好奇于植物對太空旅行如何反應。早在1999年，我們在哥倫比亞號航天飛機上搭載了
我們的第一項太空飛行實(shí)驗，而那時(shí)我們學(xué)到的東西至今仍在助力關(guān)于植物如何應對重力缺失的新假說(shuō)。
本文作者Robert Ferl(前)和Anna-Lisa Paul(中)在NASA自由落體飛機的微重力環(huán)境中進(jìn)行植物實(shí)驗。NASA, CC BY
身在佛羅里達，研究植物在太空
高級生物研究系統太空飛行硬件顯示了帶有植物的培養皿。Anna-Lisa Paul, CC BY
太空飛行需要專(zhuān)門(mén)的生長(cháng)棲息地，專(zhuān)門(mén)的觀(guān)察和采樣工具，以及當然，在軌道上照顧它們的專(zhuān)門(mén)人員。
一個(gè)典型的實(shí)驗以地球上我們實(shí)驗室中在營(yíng)養凝膠培養皿里種植休眠中的擬南芥種子開(kāi)始。這種凝膠(不像土壤)在零重力下不會(huì )散開(kāi)，并提供植物生長(cháng)所需的水和養分。植物然后用黑布包裹著(zhù)送往甘乃迪太空中心，最終裝載在獵鷹9號火箭頂部的龍式太空艙里，飛往ISS。
一旦對接，一名宇航員把這些培養皿插入植物生長(cháng)硬件，其內部光線(xiàn)刺激種子發(fā)芽，照相機隨時(shí)間推移記錄幼苗的成長(cháng)，到實(shí)驗結束，宇航員收獲生長(cháng)了12天的植物，用管子保存起來(lái)。
一旦保存的樣品送回給地球上的我們，就能跑更多的實(shí)驗，來(lái)調查植物在軌道上進(jìn)行的獨特代謝過(guò)程。
我們和同事們建造的成像系統，用于在自由落體飛行中捕獲植物基因表達熒光數據，最終用于亞軌道飛行。Robert Ferl, CC BY
在實(shí)驗室中揭秘
我們最早發(fā)現的事情之一是，每個(gè)人都假定需要重力參與的某些根系生長(cháng)策略根本就不需要重力。
為了尋找水和養分，植物需要向外生長(cháng)根系。在地球上，重力是生長(cháng)方向最重要的“線(xiàn)索”，但植物也使用觸覺(jué)(可以把根尖想成是敏感的指尖)來(lái)幫助繞過(guò)障礙。
早在1880年，達爾文發(fā)現植物在傾斜表面上生長(cháng)時(shí)，根系并不向四周生長(cháng)，而是朝向一邊。這種根系生長(cháng)策略叫做“斜向生長(cháng)模式”。
達爾文假說(shuō)這是由重力和根系接觸表面的共同作用導致的——而130年來(lái)，每個(gè)人也都是這么想的。
根系斜向生長(cháng)——無(wú)需重力
但在2010年，我們看到我們種在ISS上的植物根系在培養皿表面以
完美的斜向方式生長(cháng)——并不需要重力，這讓我們大吃一斤。既然明顯不是重力，那軌道上斜向生長(cháng)的原因是什么呢？
ISS上的植物確實(shí)有獲得生長(cháng)方向線(xiàn)索的第二潛在信息來(lái)源：光。我們假說(shuō)當缺少重力把根系指向“遠離”莖葉方向時(shí)，光就扮演了引導根系的更重要角色。
而我們發(fā)現的是，光確實(shí)重要，但不是任何光線(xiàn)都可以——必須有一個(gè)漸變的光線(xiàn)強度才能有效指引。這就好像好聞的氣味：當曲奇剛出爐時(shí)你可以閉著(zhù)眼睛找到廚房，但等整個(gè)房子都溢滿(mǎn)巧克力曲奇的香氣時(shí)，你就找不到路了。
它們即時(shí)調整代謝工具箱
在沒(méi)有重力的情況下，植物不能使用通常的導航“工具”，因此只得拼湊出另一套方案。它們能通過(guò)調控基因表達方式，制造或多或少有幫助的特定蛋白質(zhì)。植物的不同部位都會(huì )做出自己的基因調控策略。
發(fā)光植物能讓我們看到哪些基因活躍，因此我們就知道哪些蛋白質(zhì)被制造。
我們發(fā)現一些涉及生成和重塑細胞壁的基因在太空生長(cháng)植物中被
不同地表達。涉及光感的其他基因——在地球上通常表達在葉上——在ISS上在根部得到表達。在葉中很多與植物激素信號有關(guān)的基因被抑制，而與昆蟲(chóng)防御有關(guān)的基因則更加活躍。在涉及信號、細胞壁代謝和防御的蛋白質(zhì)的相對豐度中也能看到
同樣趨勢。
這些基因和蛋白質(zhì)的模式在向我們講述故事——植物在微重力下的反應是松動(dòng)細胞壁，以及創(chuàng )造感應環(huán)境的新方式。
改造過(guò)的擬南芥植物。綠色顯示綠色熒光蛋白質(zhì)(GFP)表達的地點(diǎn)，紅色顯示葉綠素的天然熒光。Anna-Lisa Paul, CC BY
我們用熒光標記特定蛋白質(zhì)實(shí)時(shí)追蹤這些基因表達改變，經(jīng)改造帶有
發(fā)光熒光蛋白質(zhì)的植物就能隨時(shí)“報告”它們如何響應環(huán)境，這些改造過(guò)的植物就能作為生物感應器。專(zhuān)門(mén)的照相機和顯微鏡讓我們跟蹤植物如何利用這些熒光蛋白質(zhì)。
作者們在地球上重建微重力條件的“嘔吐彗星”號上。
來(lái)自太空的見(jiàn)解
這種研究在根本的分子水平上更新了我們對植物如何應對外部刺激的理解。我們對于植物如何應對新奇和極端環(huán)境了解得更多，對理解地球上的植物如何應付所面臨的環(huán)境變化就更有備無(wú)患。
當然我們的研究也有助于使我們的生物學(xué)走出這個(gè)星球的集體努力。重力并不像我們曾經(jīng)認為的那樣對植物性命攸關(guān)，這項觀(guān)察對于在其它低重力行星、甚至無(wú)重力太空船上的農業(yè)前景是個(gè)好消息。人類(lèi)是探索者，當我們離開(kāi)地球軌道，我們必然會(huì )帶上植物同行！
[
王丟兜 via
TheConversation]
