人工气候室 [复制链接]

第5版()
专栏：

人工气候室
殷宏章
近十几年来，植物生理学最重要的技术成就是人工气候室的建立。它利用近代电力设备，控制温度、空气湿度和成分、光线强度和质量，以至于造霜造雾，造风造雨，颠倒昼夜和季节，研究植物的生长发育的规律和环境因素的影响。人们早就有了能加温加光的玻璃温室，而全面精密地控制气候以栽培植物还是很近的事情。第一个近代人工气候室是一九四九年在美国加州理工大学经过六年的准备工作建成的，其后每年不断有所新建或改良，到现在美国已有较大型的人工气候室五、六处。苏联科学院植物生理研究所一九五六年建成一所人工气候室，以后季米里亚捷夫农学院及两三个分院也陆续建成。目前德国已有三所，瑞典两所，法国、荷兰各有一所，日本则已有小型的十余所，分散在各大学及研究所内。此外，各国正在兴建中的还很多，如澳大利亚即将建成一所大型的人工气候室。
人工气候室受重视和发展快的原因很明显，它是植物生理学者和实验生物学者百年来朝思暮想的东西。因为我们要确切地了解和控制生物的活动规律，就必须把它从繁复多变的自然环境中“分离”出来，给以各种人工条件，观测和分析它的反应。化复杂环境为单纯，再综合单因素的影响来理解自然情况，然后利用这些知识，来模仿、改造和控制自然。
微生物个体小，对环境要求简单，一般都可以培养在人工的环境中，无限制地生长下去，还可以有意识地加以控制和调济。因此人们对于微生物的认识也更深入，能利用它的本领也大，尽管人们发现微生物的年代远比同高等植物相处的年代晚得多。动物则不同，它可以寻找适合的环境，本身的调节能力发达，有神经系统，可以保温，能维持水分渗透压等等，只要供给适当食物，在一般环境中，生命活动可以相当稳定，也就是说在一定范围内受环境的影响，或被外界因素支配的程度小。植物则处处受着自然条件的限制，适应主要是长期的通过品种演替较多，而在个体生活过程中的适应幅度较小，生长发育所受的牵掣大。因此不论从实践或理论出发，研究植物，不通过育种（那是遗传方面的工作），就要通过环境的变化（这是植物生理学的重要任务），所以控制环境因素一直是植物生理工作者迫切的要求。
人们很容易想到，植物生理学者和农业科学工作者更深切体会到，不能控制环境，研究工作很难做，也不易收效。譬如研究水稻或小麦，一年只能做一次，至多做两次，而每次气候不同，年年水旱冷热有异，各种条件难以完全确定，也不能任意重复。得到的结果，很难比较，甚至相互矛盾，必须累积多年的大量的试验，才能统计性地肯定一些问题，而且对这些结果的原因还很难进一步分析。自然物候的变化都是综合性的，一切都在变动，而且相互关联，哪个是主要因素，常不易确定，何况还有特殊的环境，如寒流、台风等等不经常的因素，靠自然环境做试验只能碰运气而不能有计划地安排。有一些自然界极端的情况或自然界还没有的情况，如昼夜不断的光照，没有氧气的环境等等，对探索性地研究植物的反应，有其特殊的意义。这些都要有人工气候室，才有可能解决。
从植物生理学的发展来看，最大的技术革新可以说有两次。第一次是一百年前的溶液培养（所谓水培），把植物从复杂多变的土壤分离出来，养在用蒸馏水及纯化的化学物质中。通过这种试验，逐渐累积认识，知道植物到底要从土壤中取得什么物质。现在这方面基本上已经明确，譬如氮、磷、钾及若干微量元素的需要，配合得好，可以完全在溶液中，把植物从种子培植到成熟。结果不仅增加了基本理论的认识，同时引起并奠定了化学肥料的基础。
但溶液培养只可以说是解决了植物环境的一半——地下的一半，地上的一半如光、温、湿、气等则还没有很好的办法进行研究。直到最近，工业技术的发展，使这个愿望有了实现的可能，至少在一个小空间中保持和改变温度、湿度以至空气成分，基本上已不成问题，光的方面虽还有些困难，但也不是不能解决。可以说这是植物生理学发展中的第二次技术革新。实现这次革新，人们才有可能把植物的环境整个地掌握起来，基本上控制和分析植物地下和地上、化学和物理的因素。可以想像，今后几十年中，将会有大量的研究成果出现，对农业生产也会有革命性的影响。即在短短的十几年中，通过人工气候室的工作，已出现不少苗头，例如不同质量的人工光照下植物的生长发育表现，昼夜温差及温周期的作用，植物活动本身的节奏性，休眠和形态建成的条件，各种作物的物候特征，对不良环境的抗性、耐性和敏感性等等，都多少有些新的成果。更重要的还不在此，而在于可以分析各种因素的相互关系。过去植物生理学工作，因为条件所限，一般只能作单因素的研究，很少能顾到两个以上因素的同时作用。有了人工气候室，可以同时独立地控制几个因素，用少量的人力物力，钻研复杂的问题，分析各因素的关系和对植物的交织的作用，做较全面的综合性的推论，大大有助于对自然界和生产实际的理解和利用。初步研究出的光周期与温度及营养的关联情况，即是一例。
人们十分关心人工气候室的实际用途，它对农业生产的作用。这个问题可以分两方面来考虑。一方面是直接的应用，可以设想在某些特殊地方，某些特殊的时候，某些特殊的植物，值得利用简单地改变温度和水培来繁殖。例如在北极地区种植鲜菜，在荒岛基地上栽培蔬果，在不当令的季节生产重要药材等等。这都已有实例可援。但是这些总是有限的，不可能在大田上推广。即如温室培养，尽管在某些国家已很发达，但全世界统计也不过五万英亩，还不及耕地万分之一，即使动力再便宜，工业再发达，也不可能在农业中占很大比例。
更重要的一方面，却不是直接的搬用，而是从人工气候室的研究中，所获得的环境对植物作用的知识，所能引起的农业措施上的根本性的变革。举一个例来说，我们前面谈到用纯粹溶液来培养植物，可以使植物完全正常生育，甚至获得高产。但它的直接利用并不多，现在和将来都不会用它来代替农田，改成水塘生产粮食。真正水培研究的伟大贡献，在于奠定了化学肥料的基础。这可以说明基本理论的研究对实际生产的作用。人工气候室的作用也是如此。
已经知道：在夜里对某些植物加一点短而弱的光，就在发育中产生很大影响；在一定的生长阶段，空气中多加一些二氧化碳，就可以提高产量；在某些时候什么样的温度和湿度最合宜等等。这些多少已有实用价值。配合农业气象的研究成果，长短期的天气预报以及加光保温降水等技术工程的进步，一定会大大地加强人工控制作物生长发育的能力，逐步使农业工业化，引出根本性的改革。
正如开始所说，现代农业还只是控制植物环境的一半，耕耘肥水，专在土壤中下功夫。地上部的光、温、气、水，根本无法控制，人们确实还在“靠天吃饭”。要摆脱这种情况，首先要能分析和控制这些因素，而要研究控制这些因素，就一定要有人工气候室。无怪乎国外把人工气候室名之为“植物加速器”，把它的功用与电子加速器、巡回加速器相比。
我们都已知道电子显微镜、超速离心机、同位素等等新技术对现代生物学研究的重要性，人工气候室至少应与这些并列或提得更高些。生物学研究一方面固然越来越细，越来越趋于微观，一方面也要走向综合和宏观，更接近实际生产的需要。因此有必要尽速建立这个现代化的重要工具——人工气候室，使植物生理学的研究工作为农业生产作出贡献。
现在国内已具有条件，能自己建立这种设备。尽管有些装置还有困难，但也不是不能克服的。如果不能一下就建成一个完全理想的现代化的人工气候室，也可以从小规模的简单的做起，边用边学，以为将来更大更周密的设备打下基础。