向日葵如何「看見」太陽 揭秘其獨特的追日秘密

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研究發現,向日葵的「追太陽性」並非由「光向素」分子引起,這與大多數植物的光向光合作用機制不同。

此研究一開始,科學家原以為向日葵的追太陽性是基於一種稱為「光向素」的分子。這是大多數植物朝向光源生長的通常機制,對藍光的光譜端有反應。但是,經過深入研究,這一說法被推翻了。

向日葵的構造

向日葵(common sunflower,學名:Helianthus annuus)是菊科向日葵屬一年生闊葉草本(forb)是烏克蘭的國花。別名太陽花、朝陽花、日頭花。其構造包括:

  1. 根系:向日葵的根系通常生長深入土壤,以吸收水分和營養物質。這些根系有助於維持植物的穩定和生長。

  2. 莖:向日葵的莖通常粗壯,高大,帶有內部的維管束,負責運輸水分和養分到植物的各個部分。莖上會生長出葉子、花朵和花梗。

  3. 葉子:向日葵的葉子呈心形或卵形,通常有粗糙的表面和粗齒。葉子是進行光合作用的主要器官,能夠捕獲陽光能並將二氧化碳轉化為氧氣和葡萄糖。

  4. 花朵:向日葵的花朵非常大,通常具有黃色的花瓣,環繞中央的花盤。花盤由許多小花組成,每朵小花都有雌蕊和雄蕊,用於授粉和繁殖。

  5. 花梗:花朵連接到莖上的花梗上,這些花梗通常較長,使花朵能夠在日間追隨太陽的運動。

  6. 種子頭:向日葵的種子頭是由成熟的花盤形成的,其中包含了許多小種子,通常被包在硬殼中。這些種子頭是向日葵的主要生殖結構,用於繁殖。

  7. 花粉:向日葵的花朵產生花粉,用於授粉。花粉被傳播到其他花朵上,以促進繁殖。

  8. 花序:大多數向日葵植株會形成許多花朵,它們通常排列在一個大的圓錐狀花序中,這使向日葵顯得特別引人注目。

向日葵排列方式,是以費波那契數列與黃金分割方式排列。1979年由H. Vogel提出,花葉序的數學模型。於極坐標系的數學式如下:

其中

為「發散角」(divergence angle)、圓心角
為距中心的半徑或距離
為自然數,花葉序的指數
為恆定比例因數

彎曲運動

向日葵的彎曲運動,也被稱為「日追葵運動」。向日葵的花朵和葉片會根據太陽的位置而進行定向生長和轉動。這種運動具有以下特點:

  1. 日間生長:在白天,向日葵的花頭和葉片會隨著太陽的偏移而生長,保持面向太陽,以最大程度地暴露自己於陽光。這種生長運動有助於植物進行光合作用,從而產生所需的能量。

  2. 微細轉向:向日葵的生長運動通常是微細的,每小時的轉動角度可能只有幾度。這樣的轉向使向日葵能夠保持在太陽的方向上,同時減少水平面上的陽光損失。

  3. 生物鐘:這種運動不僅受到光的刺激,還受到向日葵的內部生物鐘的調控。這個生物鐘可以預測太陽的位置,以便植物能夠調整它們的生長方向,並與早晨授粉昆蟲的出現進行協調。

  4. 夜間歸位:夜晚時,向日葵會通常回歸東方,等待第二天的陽光再次啟動它們的日追葵運動。

光的波長對於向日葵的影響

加州大學戴維斯分校的植物生物學家,於最新一期的《PLOS生物學》中報導,他們對室內生長和戶外生長的向日葵進行了對比研究。研究顯示,當室內生長的向日葵直接暴露於光源時,它們會啟動與光感應相關的基因。然而,在戶外,即使向日葵的花頭跟隨太陽轉向,其基因表現卻呈現截然不同的模式。

換句話說,無論是藍光、紫外線、紅光還是遠紅光,光的波長對向日葵的「追太陽性」都沒有影響。研究團隊還發現,當室內生長的向日葵被轉移到戶外時,它們在第一天就開始追蹤太陽。這伴隨著植物陰影側的基因突然爆發,但在接下來的日子裡,這一現象不再出現,顯示向日葵內部正在進行某種「調整」。雖然目前尚未能夠確定具體的基因,但這一發現對於理解植物如何感知光線並做出反應具有非常重要的意義。

E-PORT兔金頭腦

Q1:向日葵會追蹤哪種光源?

①藍光
②紫外線
③紅光
④以上皆是

你答對了嗎?答案是:4

Q2:向日葵是哪一國的國花?

①台灣
②阿根廷
③巴拉圭
④烏克蘭

你答對了嗎?答案是:4

Q3:向日葵的中心實際上是由什麼組成?

①花瓣
②變異花莖
③一堆小花
④葵花籽

你答對了嗎?答案是:3

Q4:向日葵的中心是如何排列的呢?

①費波那契數列
②黃金分割
③以上皆是

你答對了嗎?答案是:3

『向日葵如何「看見」太陽』可以延伸的自主學習主題

【向日葵的「向日性」機制研究】
進一步瞭解向日葵如何通過內部生物鐘預測日出並調整花的方向。

【植物的光感應】
研究其他植物是否也有類似的光感應機制,以揭示植物對光線的感知和反應。

【生物物理學】
使用物理學原理研究向日葵的光感應機制,包括光譜分析和光感應蛋白質的作用。

【模擬生態系統】
使用數學建模和計算方法來模擬向日葵與其他生物之間的生態互動,並預測氣候變遷對這些系統的影響。