人工氣候實驗室

(都柏林大學派克氣候實驗室外觀)

植物與環境的相互作用。

        植物或狹義的陸生維管植物，從約5億年前的晚志留世登陸。植物可以通過光合作用，吸收大氣中的二氧化碳，固定其中的碳，釋放出比較穩定的氧氣，通過改變大氣成分來改變陸地環境。大氣和海洋的循環作用，間接影響海洋環境。

隨著植物根系的不斷演化，植物固定土壤的能力逐漸增強，更多的碳被保存在巖石中，陸表向海洋輸送的碎屑物質減少，陸表物理風化作用對海洋水體的污染也減弱，這些直接促進了海洋環境的變化。這些復雜的物理、生物和化學過程徹底改變了早期地球大氣圈、水圈、生物圈的成分和結構，為下一次生命演化提供了必要條件。

        相反，植物也受生存環境的影響，大規模地產生了植物的地理區劃。例如，熱帶植物中常見的藤本、廣葉和板根是對溫暖潮濕環境的適應，而冷帶植物的針葉形態演化是對寒冷干燥氣候的適應。從小規模來看，植物的氣孔(與大氣交換氣體的器官)也會隨著二氧化碳濃度的變化而調整，即相應的密度和分布的變化。二氧化碳濃度越高，植物可以用更少的氣孔來完成正常的生長需求，同時也可以減少從氣孔中散失的水分。

        這樣，植物似乎也有獨特的智慧，受環境的影響，也可以用自己的方法改變環境，兩者之間的相互作用是怎樣完成的呢？植物能告訴我們環境變化規律的重要信息嗎？

植物在地球固碳中的重要作用。

        植物是陸地固定碳的主力軍，根據目前地球生物圈(不包括土壤和巖石中的碳)的調查，陸地植物固定了450x109噸碳，約占其他生物碳儲藏量總和的82%。植物大量死亡的話，大量的碳會再次進入空氣中，快速大量產生的二氧化碳也會產生溫室效果。土壤失去根的固定作用，陸地的水土流失惡化，污染水體，不僅會給依賴植物的大量動物帶來滅絕災害，對海洋生物來說也是重大災害，可能會使環境惡化到地球進化初期的惡劣狀態(這在地質記錄中被稱為錯誤的時間相的沉積，也就是說這個階段不應該出現的原始地球環境)。

(晚古生代石松類鱗片(左)和現生被子植物(右)碳儲存量比較圖。單位:噸/公頃/年)

        其實，地質歷史時期曾多次發生過這樣的事件。例如，顯生宇**的生物滅絕(二重紀-三重紀生物大滅絕)前后出現的大量藍細菌巖(重疊石)發生在植物危機發生后和植物恢復前。大量陸源碎屑有機物的加入消耗了水體中的大量氧氣，水體的豐富營養化也使藍細菌大量繁榮，反而加快了水體氧含量的消耗，導致海水缺氧，導致海洋生物滅絕，緩慢了生物的恢復過程。

這樣的證據還有很多。圖中從以前的寒武紀到現在，幾個主要植物群的演化過程和環境因子(大氣氧含量、二氧化碳含量、碳埋藏量等)與冰期的對應關系。隱孢菌素植物(苔蘚等)出現，維管植物大量出現，種子植物(包括裸子植物和被子植物)大量出現的重要時期，大氣氧含量增加，二氧化碳減少和碳埋藏量增加，同時在一些植物進化的重要時期，如植物登陸時的晚志留下，石松類、楔形葉類、蕨類和種子蕨類蕨類植物極其茂盛的石炭紀二疊紀(石炭紀的命名是因為這個時期有大量的碳埋藏)

人工氣候實驗室的緣起

         綜上所述，植物對環境的影響不容忽視。但是，這些都是我們的推測，植物是如何影響環境的？植物對環境變化有什么生理反應？植物對環境影響多還是環境對植物影響多？很多問題還沒有令人滿意的答案。

         特別是地質歷史時期滅絕的植物，不能直接研究。由于化石記錄不足，親近的現生植物也不足，解剖學研究不足，我們不知道這些植物長什么樣，能固定多少碳。但而，我們可以知道不同植物的固定碳能力是不同的。也許存在于地質歷史時期的植物比稱霸地球的被子植物有更強的固定碳能力。克里爾(Cleal)和托馬斯(Thomas)于2005年發表了對晚古生代石松類植物鱗木和現代被子植物固碳量的估算，可能不像我們想象的那么簡單。維管束發達的植物不一定碳量大，研究植物與環境的關系必須定量計算。地質記錄顯示，大多數古代環境與當前環境大不相同。那么，我們應該如何模擬古如何研究古代植物呢？

(人工氣候室實驗室原理圖)

        這些問題困擾科學家很長一段時間，直到1949年，美國**植物學家、園藝學家溫特在加州帕薩迪納市主持建設了世界上**個植物人工氣候實驗室，通過在封閉環境中控制溫度、濕度、二氧化碳和氧氣等多種環境因子，觀察不同植物在不同環境中的生長過程。這項技術很快受到各國的重視。現在科學家可以正確控制和觀察各環境因子的變化，為揭示植物與環境關系的秘密提供了更直接的方法，廣泛應用于現代生物研究。

(實驗室的外觀)

(人員進入實驗室需要特殊保護)