植物生理學(xué)是如何誕生和發(fā)展的？從中可以得到哪些啟示？

【專家解說(shuō)】：產(chǎn)生 植物生理學(xué)的起源一般都追溯到16世紀(jì)荷蘭人范埃爾蒙的實(shí)驗(yàn)。他把一條柳枝栽在盆中，每天澆水，5年以后柳枝增重30倍，而盆中土的重量減少甚微，因此他認(rèn)為植物的物質(zhì)來(lái)源不是土而是水。這是第一次用實(shí)驗(yàn)的方法研究植物的生理現(xiàn)象。到18世紀(jì)后期和19世紀(jì)初期，英國(guó)的J·普里斯特利，荷蘭的J·英恩豪斯等人陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了光合作用的主要環(huán)節(jié)，證明綠色植物能在光下將空氣中的CO2和土壤中的水合成有機(jī)物并放出O2。意大利人M·馬爾皮基，英國(guó)S·黑爾斯，法國(guó)J·B·布森戈，德國(guó)J·von·李比希，英國(guó)C·R·達(dá)爾文等人分別發(fā)現(xiàn)或闡明了植物中的物質(zhì)運(yùn)輸、水分吸收與蒸騰、氮素營(yíng)養(yǎng)、礦質(zhì)吸收、植物的感應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)等現(xiàn)象。隨著知識(shí)的積累和系統(tǒng)化，1800年，瑞士的J·塞內(nèi)比埃撰寫并出版了世界上第一部《植物生理學(xué)》。 走向微觀 19世紀(jì)后期德國(guó)的J·von·薩克斯首先開設(shè)了植物生理學(xué)專門課程。在他和他的學(xué)生們努力下，植物生理學(xué)從植物學(xué)中獨(dú)立出來(lái)，成為一個(gè)專門的學(xué)科。特別是20世紀(jì)20～30年代，由于物理、化學(xué)、微生物學(xué)和普通生理學(xué)的進(jìn)展以及生物化學(xué)、生物物理學(xué)的興起，使植物生理學(xué)深入到細(xì)胞水平。30～40年代進(jìn)入細(xì)胞器水平，如以離體的線粒體、葉綠體來(lái)分析呼吸和光合等作用的機(jī)理，50年代以后，更深入到大分子的組合，生物膜的結(jié)構(gòu)與功能，離體酶系的作用，以至電子傳遞系統(tǒng)機(jī)理等縱深方面，跨入分子水平或亞分子水平，成為分子生物學(xué)的一個(gè)方面。就研究的時(shí)間尺度而論，從范埃爾蒙實(shí)驗(yàn)的5年縮短到幾天，幾小時(shí)，現(xiàn)在則縮短到秒級(jí)，毫秒（10-3秒）級(jí)，微秒（10-6秒）級(jí)，納秒（10-9秒）級(jí)甚至皮秒（10-12秒）級(jí)了。 走向宏觀 植物生理學(xué)發(fā)展的另一端是走向宏觀。由對(duì)植物個(gè)體，擴(kuò)展到群體、群落的研究。因?yàn)闊o(wú)論是在人為的農(nóng)田或自然界中，植物都是聚集在一起，很少單株生存；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也常是以土地面積為單位，而不是按單株來(lái)計(jì)算產(chǎn)量。因此必須注意群體的結(jié)構(gòu)和活動(dòng)；植物體與外界環(huán)境及其他植物之間的相互影響和關(guān)系；通風(fēng)透光、土壤水肥供應(yīng)情況以及共生和互斥的現(xiàn)象和機(jī)理。這樣植物生理學(xué)就與生態(tài)學(xué)接壤，并發(fā)展出了植物生理生態(tài)學(xué)和生態(tài)生理學(xué)這兩門分支學(xué)科。 近代進(jìn)入定量及模擬階段 近代植物生理學(xué)家的研究工作，已部分進(jìn)入定量的階段，在引入電子計(jì)算機(jī)等新技術(shù)后，開始了對(duì)植物生理活動(dòng)的數(shù)學(xué)模擬。因?yàn)橹参飵缀跏俏蘸娃D(zhuǎn)化太陽(yáng)能的唯一成員，所以在探討生命起源、開發(fā)能源、宇宙航行、地球外生命以及仿生模擬等問題時(shí)，植物生理學(xué)也是必不可缺的。 最早記錄 遠(yuǎn)在3000多年前（公元前14～前11世紀(jì)），中國(guó)的甲骨文中就有涉及植物生理活動(dòng)的關(guān)于農(nóng)業(yè)耕耘施肥的記述。其后在《氾勝之書》（約公元前100），《齊民要術(shù)》（533～544），《天工開物》（1637）等專著中更有許多闡述。明末《天工開物》的著者宋應(yīng)星（1587～1660）在與范埃爾蒙差不多同時(shí)所著的《論氣》一書中曾說(shuō)：“氣從地下催騰一粒，種性小者為蓬，大者為蔽牛干霄之木，此一粒原本幾何？其余皆氣所化也?！币衙鞔_指出了植物利用空氣來(lái)生長(zhǎng)。 植物生理在中國(guó)的發(fā)展史 中國(guó)比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性植物生理學(xué)是從國(guó)外引進(jìn)的。20世紀(jì)20年代初，錢崇澍、張珽留學(xué)回國(guó)后，開始講授植物生理學(xué)；李繼侗1927年起先后在南開大學(xué)、清華大學(xué)，羅宗洛自1931年起先后在中山大學(xué)、中央大學(xué)、浙江大學(xué)、中央研究院，湯佩松自1933年起先后在武漢大學(xué)、清華農(nóng)業(yè)研究所等處建立了植物生理實(shí)驗(yàn)室。他們的研究成果至今仍常為國(guó)外文獻(xiàn)所引用。他們所教育的第一、二代學(xué)生，現(xiàn)在是國(guó)內(nèi)本學(xué)科的主力。30～40年代由于抗日戰(zhàn)爭(zhēng)和戰(zhàn)后國(guó)內(nèi)的動(dòng)亂，各大學(xué)及研究所顛沛流離，植物生理學(xué)亦與其他科學(xué)一樣未得充分發(fā)展，專業(yè)隊(duì)伍總共不過30人。1949年以后，植物生理的研究和教學(xué)工作發(fā)展很快，在有關(guān)植物生理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域里，都程度不等地開展了工作，尤其是在光合作用等方面的研究，取得有重要意義的結(jié)果。目前，在中國(guó)設(shè)有中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所；各大地區(qū)的植物研究所及各高等院校中，設(shè)有植物生理學(xué)研究室（組）或教研室（組）；農(nóng)林等部門設(shè)立了作物生理研究室（組）。中國(guó)植物生理學(xué)會(huì)自1963年成立后，已召開過4次全國(guó)性的代表大會(huì)，并出版了論文集。許多省、市、自治區(qū)陸續(xù)成立了地方性植物生理學(xué)會(huì)。中國(guó)植物生理學(xué)會(huì)主辦了《植物生理學(xué)報(bào)》和《植物生理學(xué)通訊》兩刊物，北京植物生理學(xué)會(huì)主辦有不定期刊物《植物生理生化進(jìn)展》。 應(yīng)用與展望 植物是地球上利用太陽(yáng)能合成有機(jī)物的主要生物。它們的生理活動(dòng)對(duì)人類有著極為重要的意義。 應(yīng)用 農(nóng)業(yè)以栽培植物為主體,要控制作物的生命活動(dòng),增加產(chǎn)量并提高質(zhì)量，就需要了解植物的生理活動(dòng)。如對(duì)植物的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的知識(shí)是合理施肥以及肥料工業(yè)的基礎(chǔ)；對(duì)植物的水分關(guān)系的分析能為灌溉提供方案；了解了植物對(duì)光周期或春化作用的需要，不僅能解釋氣象條件如何決定物候期和預(yù)測(cè)引種成功的可能性，而且可以用人工照光或遮暗，和春化處理等辦法來(lái)控制開花的季節(jié)；激素的發(fā)現(xiàn)，使人們得以合成，促進(jìn)插條生根，疏花疏果，誘導(dǎo)、加強(qiáng)或解除休眠，促進(jìn)或抑制生長(zhǎng)等以提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量；除草劑則是生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)的高劑量應(yīng)用，節(jié)約了大量除草的勞力；光合、代謝、運(yùn)輸、抗性等生理機(jī)理的研究為選種、育種提供了篩選指標(biāo)；組織培養(yǎng)、細(xì)胞培養(yǎng)等技術(shù)的發(fā)展，為加快純種的繁殖，改良與創(chuàng)造新種，開辟了新的途徑。在數(shù)次農(nóng)業(yè)及糧食的國(guó)際會(huì)議討論中，曾提出10余項(xiàng)迫切的研究任務(wù)，其中①光合作用與增產(chǎn)；②生物固氮；③礦質(zhì)吸收；④對(duì)不良環(huán)境的抗性；⑤對(duì)競(jìng)爭(zhēng)性生物系統(tǒng)的抗性；⑥植物的生長(zhǎng)發(fā)育與激素等都屬于植物生理學(xué)的范疇。其余幾項(xiàng)，如遺傳工程，細(xì)胞工程，菌根及土壤微生物，大氣污染，病蟲害的控制，也與植物生理學(xué)有關(guān)。所以植物生理是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要的知識(shí)基礎(chǔ)。 展望 環(huán)境保護(hù)，防止污染，也涉及植物生理學(xué)研究。如用植物固沙防風(fēng)、凈化水源等。70年代提出，由于工業(yè)發(fā)展，化石燃料燃燒量大,空氣中C顯著增加以致影響氣候，增加植物光合來(lái)吸收C是對(duì)策之一。 最近更突出的問題是新能量來(lái)源的開發(fā)。由于古代留存的化石燃料資源總有枯竭的一天，各國(guó)對(duì)于尋求可以更新的能源均很重視?，F(xiàn)時(shí)地球上捕獲轉(zhuǎn)化太陽(yáng)能的最重要的途徑還是綠色植物的光合作用,每年能固定3×10^21焦耳，雖然它只是落在地球上日光能總量的千分之一不到，但已經(jīng)10倍于世界上每年的能量消耗。提出的辦法如：①利用現(xiàn)有的植物殘?jiān)瞥烧託?，在中?guó)很多地方已經(jīng)推廣應(yīng)用；②使植物產(chǎn)物發(fā)酵制造酒精，在某些國(guó)家已大量生產(chǎn)；③利用不適于耕種的土地栽植產(chǎn)油脂或碳?xì)浠锏闹参镆蕴崛∪剂?；④利用藻類或離體的葉綠體在光下產(chǎn)生氫氣；⑤用提取的葉綠素及人造的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體物質(zhì)來(lái)模擬分解水來(lái)放氫，這些都是從植物生理學(xué)研究發(fā)展出來(lái)的。太陽(yáng)光能，取之不盡用之不竭。如果能用來(lái)產(chǎn)生氫作為燃料，氧化燃燒后又成水，可反復(fù)使用，且不會(huì)造成污染。