2　“食土动物”　植物如何生成葡萄糖

植物并没有得到它们应有的声望。公平地说，它们很少宣传自己的丰功伟绩，因为它们做不到。如果摆放在桌子上的仙人掌会说话，那么关于它的祖先的传说可能会给我们留下深刻的印象，毕竟，是它们促成了地球上最重要的生物进程——光合作用。

几百万年前，我们的星球还是一个由水和淤泥组成的贫瘠的大岩块。只有细菌和海洋中蠕动的蠕虫拥有生命。地球上没有树木，没有叽叽喳喳的小鸟，当然也没有哺乳动物。但是，在这个蓝色星球的某个角落，或许就位于现在的南非，一件神奇的事情发生了。在经过了几百万年的反复演化之后，一株小小的幼芽破土而出，长出了第一片叶子。从此，生命史新的篇章开启了。

这真是一个了不起的壮举。那株小嫩芽是如何做到的呢？

人们曾经普遍认为植物是“食土动物”：因为它们在泥土中生根发芽，最终破土而出。16世纪40年代，佛兰芒(6)科学家海尔蒙特开始着手研究这种说法的真实性。他进行了一项长达5年的实验，这项实验又被称为“柳树实验”。从这项实验中，我们了解到两件事情：第一，海尔蒙特非常有耐心；第二，植物并不是由泥土构成的。

海尔蒙特在一个大花盆里装了约90 kg的土壤，并种植了一棵重约3 kg的柳树苗。在接下来的5年里，他给小树浇水，观察并记录小树的生长情况。5年过去了，这棵小树长大了，海尔蒙特把小树从花盆里移出，这时的小树已经重达78 kg了，比最初的幼苗增加了75 kg。最重要的是，花盆里土壤的重量几乎没有发生变化。这意味着小树增加的75 kg一定来自其他地方（见图1-1）。

如果植物不吃土，那它究竟是如何生长的呢？现在我们说回地球上长出的第一株小芽，我给这株小芽取名为“杰瑞”。

杰瑞给出了它的最优解决方案：将空气而不是土壤转化为物质。杰瑞利用太阳的能量，将空气中的二氧化碳和土壤中的水（来自土壤，但并不是真正的土壤）转化为一种原来从未见过的物质，并用其来构建自己的每一个部分。这种物质就是我们现在所说的葡萄糖。没有葡萄糖，就不会有植物和生命。

在柳树实验后的几百年里，很多研究人员都想探究植物到底是如何合成这种物质的。他们利用蜡烛、真空密封罐和不同类型的水藻进行了很多实验。美国科学家梅尔文·卡尔文、安德鲁·本森和詹姆斯·巴萨姆(7)最终破解了这一奥秘。卡尔文因这一发现获得了1961年的诺贝尔化学奖。这个合成过程被命名为“卡尔文循环”。不过，这个名字并不为我们熟知，我们通常称这一过程为“光合作用”，也就是利用光能，将二氧化碳和水转化为葡萄糖的过程。

我有点儿羡慕植物的生长方式。它们不用花时间在杂货店购物，自己就能够创造食物。对于人类来说，这就像是我们坐在太阳底下就能够吸收空气中的分子，无须购买、烹饪和吞咽食物，就能够在胃里产生一份奶油扁豆汤一样。

葡萄糖一旦生成，植物既可以靠分解葡萄糖来产生能量，也可以原封不动地将葡萄糖作为生长所需的原料。我们再也找不到比葡萄糖更适合的原料了。葡萄糖小巧又灵活，一句话末尾的那个句号能装下50万个葡萄糖分子。它可以用来构建植物坚硬的树干、柔软的叶子、细长的根和多汁的果实。就像钻石和铅笔芯都是由同样的原子（碳原子）组成一样，植物也可以通过葡萄糖生产出很多不同的物质（见图1-2）。

强力淀粉

植物可以通过葡萄糖生产的物质之一就是淀粉。活着的植物每时每刻都需要能量。但是，当没有阳光的时候，不管是阴天还是晚上，光合作用都不能进行，无法为植物提供其生存所需要的葡萄糖。为了解决这个问题，植物需要在白天生产更多的葡萄糖并储存起来，以备不时之需。

问题是，储存葡萄糖并不容易。葡萄糖的自然属性是易溶于周围的任何物质，它就像课间休息时的孩子们一样。孩子们在操场上横冲直撞，他们的行为无法被预知和控制。但是，当再次上课时，孩子们会被老师叫回来，安静地（大部分）坐在教室里上课。同样，植物也有使葡萄糖再次聚集起来的方法。它们通过一种名为酶的助手（我们可以把它理解成助理教师）来捕获葡萄糖并将其连接在一起：左手牵右手，右手牵左手，连接成千上万个，最后就会形成一条长长的葡萄糖链，葡萄糖也就不再到处乱跑了（见图1-3）。

这种形式的葡萄糖被称为淀粉。在植株的茎和叶中淀粉的存储量很小，但是在根茎部的存储量很大。甜菜、土豆、胡萝卜、块根芹、豆薯和山药的可食用部分都是根，都含有淀粉。种子也含有淀粉。淀粉为其发芽、生长提供必要的能量。大米、燕麦、玉米、小麦、大麦、豆类（豌豆、扁豆、大豆和鹰嘴豆）都属于种子，这些种子中也都含有淀粉（见图1-4）。

在这间“教室”里，有很多纪律约束着这些淀粉，所以，starch（淀粉）一词来源于德语stärke，意为“强壮”。

淀粉也确实很强壮，但这并不意味着它不可改变。只要找到合适的工具，淀粉也是可以被分解的。每当植物需要葡萄糖的时候，它们会使用一种被称为α-淀粉酶的酶。这种酶可以直达根部，将一些葡萄糖分子从淀粉链中释放出来。“咔嚓”一下，葡萄糖就被释放出来了，接着被转化为能量，或是成为构成其他物质的原料。

凶猛纤维

另一种酶（有很多种不同的酶）能够执行另一项不同的任务——制造纤维。与葡萄糖手拉手制造淀粉的方式不同，这种酶使葡萄糖分子手脚相连，通过这种连接方式形成的链被称为纤维。就像房子砖块之间的灌浆一样，纤维可以使植物长得高而不倒。纤维常见于树干、树枝、花朵和叶子中，植物根部和果实中也有少量纤维（见图1-5）。

人类发现了纤维的一种实际用途：被收集并加工制作成纸。这项用途始于埃及的纸草。现在，纤维从树干中被提取出来，再经过聚合，变成一沓一沓的纸。如果你正在阅读纸质版的《控糖革命》，你就是在读一本印刷在葡萄糖上的关于葡萄糖的书。

香甜果实

如果尝一下葡萄糖，你就会发现它很甜。但是，植物还会将一部分葡萄糖转化为一种更甜的叫作果糖的分子。果糖的甜度大约是葡萄糖的2.3倍。

植物将果糖集中到水果（苹果、樱桃、猕猴桃以及其他水果）之中（见图1-6），并将水果挂在枝头。这么做的目的是让动物无法抗拒水果的味道。那么为什么植物希望它们的果实如此诱人呢？因为植物将其种子藏在了果实之中。这是植物繁殖的关键：动物吃掉它们的果实，种子便神不知鬼不觉地被带走，直到食客将种子排泄出来。这就是种子四处传播的方式，而这种方式让植物遍布各地。

大部分植物的果糖都是以这种方式存储的，但是有一些植物，在另一种酶的帮助下，会在一段时间内将葡萄糖以另一种方式进行连接。这种连接方式产生的分子被称为蔗糖。蔗糖的存在可以使植物存储更多的能量（一个蔗糖分子比一个葡萄糖分子和一个果糖分子加起来要稍微小一点，这样，植物就可以在更狭小的空间中存储更多的能量）。对于植物来说，蔗糖是一种非常巧妙的能量临时存储物质，但是对于我们来说，蔗糖却有着非常重要的意义。我们每天都在使用它，只不过用另一个名字称呼它——食用糖。

得益于光合作用，葡萄糖以不同的形式存在——淀粉、纤维、果糖和蔗糖。这就是杰瑞提出的巧妙方法，为这个星球上生物的多样性铺平了道路。