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植物纤维素和木质素的秘密

植物有大有小,有高有矮,有的是地面上的小草,有的则长成高耸入云的参天大树。植物是如何长大的,其实很像我们人类盖起的一幢幢房子,有的是低矮的小平房,有的则是高楼大厦。只不过植物不是用的钢筋水泥,而是用的纤维素和木质素,其一砖一瓦就是有厚厚细胞壁的细胞。

植物细胞与动物细胞不同,动物细胞没有细胞壁,只有一层细胞膜,细胞膜就像一个弹性的气球,所以动物能自由运动,而植物细胞有固化的细胞壁,建成后就不能动弹了。植物的细胞壁是用什么做成的呢?首先是用一根根、一束束纤维素织成的,纤维素犹如我们盖房子用的钢筋,组成纤维素的基本单元就是一粒粒葡萄糖分子。

植物选择用纤维素构建细胞壁,就基本意味着放弃了运动能力。纤维素是一种较为坚固的结构,用它搭建起来的细胞“外骨骼”会极大地限制细胞之间的相对运动,进而限制了植物整体的运动。当植物彻底选择了这种不运动的生存方式之后,就把细胞壁构建得更厚实且坚硬,完全是“一条道走到黑”了!

植物用纤维素构建细胞壁的方式非常有趣。每一根纤维素都由一个工人负责制造,而制造的过程仿佛是把珠子(即活化的葡萄糖分子)一枚一枚地串成珠链(纤维素)。然而,这些工人并非单独行动,而是分成若干组,组成几个方阵,排着整齐的队伍齐头并进,加工成纤维束,形成有规则的“微管”结构。

当然,植物细胞壁里并非只有纤维素,还有很多其他成分,比如半纤维素和果胶。后两种物质的化学成分比纤维素复杂,但也是由简单的环状含氧有机物分子串起来的长链或分支形式的分子。如果说纤维素构成的纤维束是钢筋混凝土里的钢筋,半纤维素就是用来绑钢筋、把它们固定住的钢丝,果胶则是把钢筋包裹起来的混凝土。有了这些辅助分子的配合,植物的细胞壁就愈显坚韧。

植物细胞壁不仅厚实、坚硬,而且不透水,也不太透气。植物细胞生存在这样的结构中,很像被囚禁在小黑屋里面。为了让细胞可以获得生存所需的水分和养分,细胞壁在开始建造的时候就在上面一些地方留下了“窗口”,允许相邻的细胞通过这些孔洞互递物质、相互帮助。大部分植物细胞就是在这样的环境中活着的。

当然,除了绿藻和苔藓这样矮小且常常生于潮湿环境中的植物外,对于大多数植物来说,光是靠相邻细胞传递水分和养分速度实在太慢,不足以养活每个细胞。因此植物开始像动物建造血管那样,在植株内部搭建专门运送水分和养分的管道——维管,让植株各个部位快速获得生存所需的物质。这样的植物被称为维管植物。在维管植物体内,从根往上运送水分及溶解在水中的矿物质的维管(称为导管),与从叶运送以糖类等有机物为主的养分的维管(称为筛管)是分开的两套体系。

动物的血管是由活细胞围成的空腔,构成血管壁的细胞会不断更新。植物的维管就不同了,它们是由长管状的维管细胞首尾相连形成的,而且这些细胞为了能让水分或养分更有效地通过,都对自身的结构做了极大的改动。运送养分的筛管细胞把自身很多与养分运输无关的流水线都拆掉了,最后把自己弄成了残废,连正常运转都成问题,还得靠旁边的细胞照顾它,给它剩余的流水线提供必要的动力。运输水分的导管细胞则更为壮烈,干脆掏空自身的内容物,只剩下上下相通连的管状的细胞壁,彻底成了死细胞。

以上我们说的是一些低矮的维管植物,但是一些参天大树又是怎样长成的呢?原来这些植物还会合成另一种建筑材料——木质素,进一步加固细胞壁。

木质素与纤维素不同,它“体形”更为庞大,合成它的单体不是葡萄糖而是一些含有苯环的氧化代谢产物。大量的木质素单体,在细脆内相互纠缠、交联,形成复杂、无规则的大型网状分子,然后又与纤维素等分子连在一起,使植物的细胞壁变得更厚实、更坚韧、更不透水、不透气了,这样坚硬的“细胞砖”无疑能够支撑起植物的高楼大厦。

说实在的,在植物看来,纤维素和木质素就是一次性建筑材料,一旦构建出来就没再准备回收利用。植物体内缺乏分解纤维素的工人,更没有分解木质素的工人。一个细胞一旦拥有了由纤维素和木质素等物质构成厚实的细胞壁,它只能在这重重囚禁之中静静地等待死亡了。

一株参天大树,在粗壮的树干中,实际上中间大部分都是已经没有生命的组织,只有树皮内部浅浅的薄圈层是活组织。这个薄圈层就叫“形成层”,从这里不断进行细胞分裂,新生成的细胞向外形成韧皮部,其中含有运送养分的筛管;向内形成木质部,其中含有运送水分的导管。

每一年,树木都会在生长季形成新的韧皮部和新的木质部。在此过程中,老的韧皮部不断被挤向外侧,其中的细胞最后死掉、干枯、开裂,成为剥落性的树皮。与此同时,老的木质部则不断被包裹进树干内部,其中的细胞最后因为养分、水分和空气的断绝而死掉。在运送水分的维管周围,有一些细胞在刚分裂出来不久就快速积累起木质素,最后和旁边的维管细胞一起死亡。它们共同组成坚硬牢固的木纤维,起到支撑树干的作用。正是因为有木纤维这样死亡组织构成的坚实木材,树木才能长到几米、几十米甚至一百多米高。

在自然条件下,植物只有合成的淀粉、糖类、蛋白质、脂肪等能被动物吸收利用,而植物纤维素、木质素都是极难分解消化的物质。由于组成纤维素的基本单元是葡萄糖,马、牛、羊、兔等哺乳类食草动物,主要借助于反复咀嚼,在酶和各种微生物的帮助下分解纤维素,从而获取能量和养分,而对木质素实在无能为力。所以这些大型食草动物只能以树叶、草等木质素含量较少的植物部位为食。

人类是高级的杂食性动物,只是在肠道靠近末端的部位才有一些能分解纤维素的细菌。人主要靠取食淀粉、脂肪、蛋白质等来获取大量的养分和能量。但是在正常人的饮食中又要保证有适当的缮食纤维。这不是要从中获取多少养分和能量,而是为了通过进食蔬菜、水果、谷物,获得自己不能合成的各种维生素,而且缮食纤维体积大,有饱腹感,能增强肠胃的蠕动,促进消化和排便,有利于人体健康。

纤维素和木质素虽然极难分解,但是干燥之后却极怕火,如果遇到火,再坚硬的木头也会很快化为灰烬,因为它从本质上来说是以碳为标志的有机物。

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