植物對周圍環(huán)境的反應(yīng)，最奇妙的莫過于它的生長方向，比如從一粒小小的植物種子萌發(fā)開始，它就知道根應(yīng)該往地下生長，而莖干則伸向天空。這是一個極為普通的現(xiàn)象，然而植物為什么會這樣呢？它是怎樣懂得“上”和“下”的概念呢？又是由什么力量促使它選擇根朝下、莖朝上的生長方向呢？怎樣解釋這種生理機制？

科學(xué)家們首先想到的是重力，他們從物理學(xué)想到，地球的引力一定是影響植物生長方向的重要因素。當時，著名的英國生物學(xué)家、進化論的鼻祖達爾文曾觀察到，植物的芽和根在改變生長方向時，各部分細胞的生長速度不同，但這又是由什么來決定的呢？達爾文無法做更進一步的解釋。

到1926年，美國植物生理學(xué)家弗里茨·溫特，做了一個頗能說明問題的實驗。他使植物的胚芽鞘一面受光照，另一面對著無光的黑暗處；結(jié)果胚芽鞘的生長發(fā)生了有趣的變化，漸漸地朝著有光的方向彎曲，后來溫特從胚芽鞘中分離出一種化合物——植物生長素，它具有促使植物生長的功能。胚牙鞘受到遮蔭部分生長加快，受光部分則由于缺少生長素而生長較慢，結(jié)果導(dǎo)致彎曲發(fā)生。于是溫特認為，植物的莖或葉片的彎曲是由于生長素在組織內(nèi)的不對稱分布造成的。當植物受到策略刺激時，植物組織下部的生長素含量會大大增加，于是就使植物的根朝下生長，而莖則朝上生長了。

自從溫特發(fā)現(xiàn)植物生長素的秘密后，很多科學(xué)家投入到這一研究領(lǐng)域。他們發(fā)現(xiàn)，植物根總是朝著地心引力的方向生長，這同樣是通過生長調(diào)節(jié)劑在根細胞里不同的分布來實現(xiàn)的，于是這些學(xué)者們提出，也許有一種被稱為“平衡面”的策略感應(yīng)物流向根細胞的底部，從而影響生長調(diào)節(jié)劑在細胞中的分布。水平放置的根，其上面比下面生長快，致使根向下生長，可是這種“平衡面”究竟屬于何物？又是如何起作用的呢？學(xué)者們一時無法知曉。

不久之前，美國俄亥俄州立大學(xué)的植物學(xué)家邁克爾·埃文斯以及他的同事，提出了一個嶄新的理論。他們認為，無機鈣對于植物的生長方向起著舉足輕重的作用。因為他們在研究中發(fā)現(xiàn)，在植物的彎曲生長過程中，無論是根冠下側(cè)部位還是芽的上側(cè)部位，都存在著高含量的無機鈣。那么無機鈣又是如何使植物辨別方向的呢？埃文斯解釋說，因為根冠有著極為豐富的含淀粉體的細胞，而淀粉體就會把其內(nèi)部的鈣送到根冠下側(cè)。這時，如果用特殊的實驗手段去阻止鈣的移動，植物馬上就會表現(xiàn)出不按正常的方式去生長。同樣，植物的芽雖然沒有冠部，但也含有豐富的淀粉體，淀粉體也能將其內(nèi)部的無機鈣送到上側(cè)的細胞中，這顯然說明，無機鈣對植物生長方向有著不可忽視的重要作用。

那么，既然淀粉體內(nèi)有許多無機鈣，而無機鈣又能在植物體內(nèi)來去自如，除了重力之外，又是哪一種力量使無機鈣如此方便地上下移動呢？最近，美國德克薩斯州立大學(xué)的研究人員斯坦利·魯在研究中發(fā)現(xiàn)，這是由于細胞的上端和下端之間的電荷不同，兩端電荷的不一致引起細胞極化。結(jié)果，為數(shù)眾多被極化的細胞排列在一起，總電荷就強得足夠吸引任何相反電荷的鈣原子，驅(qū)使它們在體內(nèi)移動。于是斯坦利·魯提出，由于細胞的極性帶動鈣的移動，從而導(dǎo)致植物莖干總是向上生長，而根則朝地下生長。

由誰控制植物生長方向的研究課題已日趨深入，這種神奇的力量取決于什么，是植物生長素還是無機鈣，是細胞的極性還是數(shù)者兼有之？目前依然有待于更進一步的探索。