2　“食土動物”　植物如何生成葡萄糖

植物并沒有得到它們應有的聲望。公平地說，它們很少宣傳自己的豐功偉績，因為它們做不到。如果擺放在桌子上的仙人掌會說話，那么關于它的祖先的傳說可能會給我們留下深刻的印象，畢竟，是它們促成了地球上最重要的生物進程——光合作用。

幾百萬年前，我們的星球還是一個由水和淤泥組成的貧瘠的大巖塊。只有細菌和海洋中蠕動的蠕蟲擁有生命。地球上沒有樹木，沒有嘰嘰喳喳的小鳥，當然也沒有哺乳動物。但是，在這個藍色星球的某個角落，或許就位于現在的南非，一件神奇的事情發生了。在經過了幾百萬年的反復演化之后，一株小小的幼芽破土而出，長出了第一片葉子。從此，生命史新的篇章開啟了。

這真是一個了不起的壯舉。那株小嫩芽是如何做到的呢？

人們曾經普遍認為植物是“食土動物”：因為它們在泥土中生根發芽，最終破土而出。16世紀40年代，佛蘭芒(6)科學家海爾蒙特開始著手研究這種說法的真實性。他進行了一項長達5年的實驗，這項實驗又被稱為“柳樹實驗”。從這項實驗中，我們了解到兩件事情：第一，海爾蒙特非常有耐心；第二，植物并不是由泥土構成的。

海爾蒙特在一個大花盆里裝了約90 kg的土壤，并種植了一棵重約3 kg的柳樹苗。在接下來的5年里，他給小樹澆水，觀察并記錄小樹的生長情況。5年過去了，這棵小樹長大了，海爾蒙特把小樹從花盆里移出，這時的小樹已經重達78 kg了，比最初的幼苗增加了75 kg。最重要的是，花盆里土壤的重量幾乎沒有發生變化。這意味著小樹增加的75 kg一定來自其他地方（見圖1-1）。

如果植物不吃土，那它究竟是如何生長的呢？現在我們說回地球上長出的第一株小芽，我給這株小芽取名為“杰瑞”。

杰瑞給出了它的最優解決方案：將空氣而不是土壤轉化為物質。杰瑞利用太陽的能量，將空氣中的二氧化碳和土壤中的水（來自土壤，但并不是真正的土壤）轉化為一種原來從未見過的物質，并用其來構建自己的每一個部分。這種物質就是我們現在所說的葡萄糖。沒有葡萄糖，就不會有植物和生命。

在柳樹實驗后的幾百年里，很多研究人員都想探究植物到底是如何合成這種物質的。他們利用蠟燭、真空密封罐和不同類型的水藻進行了很多實驗。美國科學家梅爾文·卡爾文、安德魯·本森和詹姆斯·巴薩姆(7)最終破解了這一奧秘。卡爾文因這一發現獲得了1961年的諾貝爾化學獎。這個合成過程被命名為“卡爾文循環”。不過，這個名字并不為我們熟知，我們通常稱這一過程為“光合作用”，也就是利用光能，將二氧化碳和水轉化為葡萄糖的過程。

我有點兒羨慕植物的生長方式。它們不用花時間在雜貨店購物，自己就能夠創造食物。對于人類來說，這就像是我們坐在太陽底下就能夠吸收空氣中的分子，無須購買、烹飪和吞咽食物，就能夠在胃里產生一份奶油扁豆湯一樣。

葡萄糖一旦生成，植物既可以靠分解葡萄糖來產生能量，也可以原封不動地將葡萄糖作為生長所需的原料。我們再也找不到比葡萄糖更適合的原料了。葡萄糖小巧又靈活，一句話末尾的那個句號能裝下50萬個葡萄糖分子。它可以用來構建植物堅硬的樹干、柔軟的葉子、細長的根和多汁的果實。就像鉆石和鉛筆芯都是由同樣的原子（碳原子）組成一樣，植物也可以通過葡萄糖生產出很多不同的物質（見圖1-2）。

強力淀粉

植物可以通過葡萄糖生產的物質之一就是淀粉。活著的植物每時每刻都需要能量。但是，當沒有陽光的時候，不管是陰天還是晚上，光合作用都不能進行，無法為植物提供其生存所需要的葡萄糖。為了解決這個問題，植物需要在白天生產更多的葡萄糖并儲存起來，以備不時之需。

問題是，儲存葡萄糖并不容易。葡萄糖的自然屬性是易溶于周圍的任何物質，它就像課間休息時的孩子們一樣。孩子們在操場上橫沖直撞，他們的行為無法被預知和控制。但是，當再次上課時，孩子們會被老師叫回來，安靜地（大部分）坐在教室里上課。同樣，植物也有使葡萄糖再次聚集起來的方法。它們通過一種名為酶的助手（我們可以把它理解成助理教師）來捕獲葡萄糖并將其連接在一起：左手牽右手，右手牽左手，連接成千上萬個，最后就會形成一條長長的葡萄糖鏈，葡萄糖也就不再到處亂跑了（見圖1-3）。

這種形式的葡萄糖被稱為淀粉。在植株的莖和葉中淀粉的存儲量很小，但是在根莖部的存儲量很大。甜菜、土豆、胡蘿卜、塊根芹、豆薯和山藥的可食用部分都是根，都含有淀粉。種子也含有淀粉。淀粉為其發芽、生長提供必要的能量。大米、燕麥、玉米、小麥、大麥、豆類（豌豆、扁豆、大豆和鷹嘴豆）都屬于種子，這些種子中也都含有淀粉（見圖1-4）。

在這間“教室”里，有很多紀律約束著這些淀粉，所以，starch（淀粉）一詞來源于德語st?rke，意為“強壯”。

淀粉也確實很強壯，但這并不意味著它不可改變。只要找到合適的工具，淀粉也是可以被分解的。每當植物需要葡萄糖的時候，它們會使用一種被稱為α-淀粉酶的酶。這種酶可以直達根部，將一些葡萄糖分子從淀粉鏈中釋放出來。“咔嚓”一下，葡萄糖就被釋放出來了，接著被轉化為能量，或是成為構成其他物質的原料。

兇猛纖維

另一種酶（有很多種不同的酶）能夠執行另一項不同的任務——制造纖維。與葡萄糖手拉手制造淀粉的方式不同，這種酶使葡萄糖分子手腳相連，通過這種連接方式形成的鏈被稱為纖維。就像房子磚塊之間的灌漿一樣，纖維可以使植物長得高而不倒。纖維常見于樹干、樹枝、花朵和葉子中，植物根部和果實中也有少量纖維（見圖1-5）。

人類發現了纖維的一種實際用途：被收集并加工制作成紙。這項用途始于埃及的紙草。現在，纖維從樹干中被提取出來，再經過聚合，變成一沓一沓的紙。如果你正在閱讀紙質版的《控糖革命》，你就是在讀一本印刷在葡萄糖上的關于葡萄糖的書。

香甜果實

如果嘗一下葡萄糖，你就會發現它很甜。但是，植物還會將一部分葡萄糖轉化為一種更甜的叫作果糖的分子。果糖的甜度大約是葡萄糖的2.3倍。

植物將果糖集中到水果（蘋果、櫻桃、獼猴桃以及其他水果）之中（見圖1-6），并將水果掛在枝頭。這么做的目的是讓動物無法抗拒水果的味道。那么為什么植物希望它們的果實如此誘人呢？因為植物將其種子藏在了果實之中。這是植物繁殖的關鍵：動物吃掉它們的果實，種子便神不知鬼不覺地被帶走，直到食客將種子排泄出來。這就是種子四處傳播的方式，而這種方式讓植物遍布各地。

大部分植物的果糖都是以這種方式存儲的，但是有一些植物，在另一種酶的幫助下，會在一段時間內將葡萄糖以另一種方式進行連接。這種連接方式產生的分子被稱為蔗糖。蔗糖的存在可以使植物存儲更多的能量（一個蔗糖分子比一個葡萄糖分子和一個果糖分子加起來要稍微小一點，這樣，植物就可以在更狹小的空間中存儲更多的能量）。對于植物來說，蔗糖是一種非常巧妙的能量臨時存儲物質，但是對于我們來說，蔗糖卻有著非常重要的意義。我們每天都在使用它，只不過用另一個名字稱呼它——食用糖。

得益于光合作用，葡萄糖以不同的形式存在——淀粉、纖維、果糖和蔗糖。這就是杰瑞提出的巧妙方法，為這個星球上生物的多樣性鋪平了道路。