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维普资讯http://www.cqvip.com植物生理学通讯第44卷第3期,2008年6月 563 ・学术漫谈・ 植物生命活动与人类健康 程建峰1,2,沈允钢 中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所,上海200032; 江西农业大学农学院,南昌330045 Relationships between Living Activities of Plants and Human Health CHENG Jian—Feng 一.SHEN Yun—Gang ' Institute ofPlant Physiology and Ecology,Shanghai Institutesfor Biological Sciences, Chinese Academy ofSciences,Shanghai 200032,China;。College ofAgronomy,Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,China 提要:与人类健康最密切的是食物和生存环境,文章讨论了植物生命活动与人类的食物和生存环境间的基本关系。 关键词:植物生命活动;人类健康;食物;环境 20世纪,人类依靠无节制地动用自然资源 长发育过程,而这些生命活动间是相互联系、相 (如大量开采矿产资源、滥伐森林、乱垦草原、 互依赖和相互制约的(Croteau等2002)。 污染和破坏生态环境等)创造了空前的物质文明, 1.1生物的分类与演化生物界千姿百态,种类繁 但伴随而来产生了一系列严重问题,最突出的是 多。1 735年,林奈根据具运动性和吞食性,还 资源接近枯竭和环境日益恶化,严重危及人类生 是行固着生活和自养,把生物分为动物界和植物 存与健康(沈允钢2001)。近2O年来,人类在欢 界,即通常说的两界系统(Linnaeus 1735)。如今 呼已取得成就的同时,也觉察到当前的物质文明 广为接受的是1969年维泰克(Whittaker)根据营养 正面临难以为继的困境,于是世界各国把“可持 方式和结构差异建立的五界分类系统,把生物界 续发展”提上了最迫切的议事日程(沈允钢 分成了原核生物界、原生生物界、真菌界、植 1999)。1996年3月,第八届全国人民代表大会 物界和动物界(图1)。五界系统按复杂性增加的3 第四次会议将“科教兴国和可持续发展”确定为 我国的两大基本战略,这是中国政府根据国情做 出的重大英明抉择。2003年10月,中共十六届 三中全会提出了科学发展观,基本内涵为“坚持 以人为本,树立全面、协调、可持续的发展观, 促进经济社会和人的全面发展”。2007年10月, 中共第十七次全国代表大会明确指出,“科学发 展观,第一要义是发展,核心是以人为本,基 本要求是全面协调可持续,根本方法是统筹兼 顾”。坚持以人为本就是要实现人的全面发展, 为人民造福,尤其是保证其生存和健康。人类健 康涉及面广,包括自然、社会和经济等方面,但 最基本的是食物和生存环境,而这与植物生命活 动密切相关。现就这些问题之间的基本关系作一 简要讨论。 图1生物的分类与演化 1植物的生命活动 植物生命活动是指在水分、矿质营养、光合 收稿 2008—02—28 修定 2008—04—23 作用和呼吸作用等代谢活动的基础上,表现出植 } 通讯作者(E—mail:ygshen@sippe.ac.cn;Tel:021— 物的种子萌发、抽枝、长叶、开花、结果等生 5492423 3)。
维普资讯http://www.cqvip.com564 植物生理学通讯第44卷第3期,2008年6月 个层次排列:原核单细胞(原核生物界)、真核单 细胞(原生生物界)和真核多细胞(植物界、真菌界 所示。植物次生代谢物质的产生和分布通常有种 属、器官组织和生长发育期的特异性,种类繁 多,化学结构迥异,已知大约有10 000种次生代 谢物,一般分为酚型化合物、萜烯类化合物和含 氮有机物三大类,包括酚类、黄酮类、香豆素、 和动物界)。多细胞生命的3个界代表了一种生态 的和形态的分类,植物(生产)、真菌(还原)an动 物(消费)代表了世界上3种主要生存方式,突出了 植物在生物演化的基础地位和关键作用(Whittaker 1969)。 木脂素、生物碱、糖苷、萜类、甾类、皂苷、 多炔类和有机酸等,为人类的医药、轻工、化 工、食品和农药等工业提供了丰富的宝贵原料, 1.2植物生命活动的主要特征著名植物生理学家 殷宏章先生在《中国大百科全书.生物学卷》中 指出,植物生命活动有一些独特的地方(殷宏章 1992),如:(1)能利用太阳能,将空气中的二氧 化碳和水及矿物质合成有机物,因而是现代地球 上几乎一切有机物的原初生产者。(2)陆地上的植 物扎根在土壤中营固定式生活,趋利避害的余地 很小,在遇到不良环境(包括狂风暴雨、干旱和 病虫害等)时只能“逆来顺受”,这必然导致植 物演化出对不良环境的耐性与抗性相适应的多种有 效的物理、化学和发育上的机制。(3)植物的生长 没有定限,虽然部分组织或细胞死亡,仍可以再 生或更新,不断地生长。(4)植物的体细胞具全能 性,在适宜的条件下,一个体细胞经过生长和分 化,就可成为一棵完整的植株。 现代研究表明,植物除合成大量碳水化合物 和蛋白质等可作为人类食物和生产原料的有机物 外,还会产生不少次生代谢物质,它们是植物在 长期进化过程中适应生态环境的结果,对植物在 其生态系统中生存起作用(如抗虫、抗病、异株 相克、吸引昆虫授粉、与和其共生的微生物相互 作用等)(Croteau等2002),其间关系大致如图2 二氧化碳和水等无机物 转化成贮存 有机物和形 光合作用 成植物各种 器官的原料 碳水化合钧等有机钧 I网里壅竺1 产生许多植物具 有的特殊产物 次生代 谢物质 图2植物生命活动的主要特征 与人类生产、生活和健康等息息相关(Chen和Ye 1998)。人类很早就直接利用植物或其粗提物来杀 虫和杀菌,一般对环境和人畜无害,是理想的绿 色环保产品;《本草纲目》中的1 892种药物绝 大多数是植物药物,目前仍有约25%的法定药品 来自植物,世界75%人口仍依赖从植物中获取的 药物(Ramachandra和Ravishankar 2002)。 1.3植物生命活动与其他生物间的相互关系植物 从单细胞的蓝藻(蓝细菌)、绿藻演化到陆地上的 被子植物,其发展方向常常主要是沿着适应在不 同环境下进行光合作用而演化的,如叶柄和茎支 持叶片向四面展开获得最大的受光和吸收面积, 细胞逐渐分化成专门用于光合作用和输导等各种组 织(Strickberger 2002)。植物具有利用太阳能将二 氧化碳和水等无机物合成为有机物并放出氧气的光 合作用功能,因此它在生物演化和生物圈形成中 处于关键地位。可进行放氧光合作用的植物的出 现既解决了合成有机物原料的广阔来源问题,使 各种生物得以大量繁衍,又导致环境中氧气的积 累,这不仅有利于生物发展出能量利用效率高得 多的有氧代谢,促进演化朝多细胞和复杂功能的 方向前进;它还有利于在大气上方形成臭氧层, 吸收对生物非常有害的短波紫外线,从而使生物 得以出水上岸,将活动范围几乎伸展到陆地的每 一个角落并影响岩石的风化和土壤的形成。这 样,在地球表层逐渐产生了一个由种类繁多的生 物和无机环境组成的在物质循环和能量流动上彼此 紧密联系、错综复杂的生物圈(图3)(沈允钢等 2005)。在生物圈中,植物是最主要的生产者, 可将二氧化碳和水等无机物合成有机物,而且还 能同时从水中释放氧气(与植物有密切关系的一些 自养微生物也可用无机物合成少量有机物但不能释 放氧气);动物是消费者,直接或间接食用植物 等形成的有机物来维持其生命活动;无数异养微
维普资讯http://www.cqvip.com植物生理学通讯第44卷第3期,2008年6月 565 太阳能 生物是分解者,最终将有机物降解成无机物。通 过这样的相互关系,地球表层的生物圈主要依靠 植物的光合功能,利用太阳辐射的能量而在不断 运转和发展着,直至演化到人类的诞生(图3、4) (沈允钢2000)。 2植物与人类健康 人类居住的地球,孕育出植物至少已经有20 多亿年了,现在已知生存在地球上的植物有几十 万种。自古以来,植物一直在默默地改善和美化 着人类的生活环境,为我们提供了无可替代的资 源,对人类健康生存有着许多有形和无形的价 耗散 值。植物王国中,有7 000多种植物可供人类食 图3人类活动未参与前的地球上生物圈的物质大循环和 用,有不少植物还具有神奇的治病效果。此外, 能量流动(沈允钢2000) 植物还是生态平衡的支柱,能净化和监测污染、 生命活动复杂化 图4绿色植物处于生物演化和生物圈形成的关键环节(沈允钢2000) 消除和减弱噪音、耐旱固沙、耐盐碱和耐涝等(张 最基本产业,是行之有效的可提供适合人类口味 无敌1993)。 的食物及重要工业原料的生产方式,它利用太阳 2.1植物生命活动与食物生产“民以食为天”,让 能将无机物合成进行生命活动所需要的多种有机 所有人吃饱很不容易。2007年10月9日,联合 物,可直接作为农产品,也可通过养殖业和加工 国粮农组织发布报告,全球正面临着30年来最为 业使之转化成适合人类多种需要的其他农产品。 严重的粮食危机,有40个国家存在不同程度的粮 当前我国农业在产量增加的同时,也给农业的可 食短缺;且世界人口还要增加,如何保证食物供 持续发展带来了许多不利的影响(如高能耗和高物 应是人类面临的重大挑战。目前,我国以不足世 耗、环境污染严重、水土流失、土壤劣化和农 界10%的耕地养活22%的人口,农产品供给总量 业生物资源濒危等),农业必须由目前的主要依靠 基本平衡,丰年有余;但到本世纪中叶,我国 资源为基础转变为以科学为基础,这无疑符合知 人口将达到l5亿左右,需要更多的食物供应,而 识经济时代的总趋势(沈允钢2002)。目前,我国 食物的获得全部要依靠农业(沈允钢1999)。虽然 根据现实国情和实践经验,大力提倡符合可持续 当今科学技术日新月异,但至今尚未找到其他可 发展要求的现代农业——高效生态农业。何谓生 代替以种植业为基础的农业来获得大量而适于人类 态农业,我国已故著名生态学家马世骏先生讲得 需要的食物的途径。因此,我国政府和专家多次 很透彻:“生态农业是生态工程在农业上的应 强调必须高度重视粮食安全,牢牢守住18亿亩耕 用,它运用生态系统的生物共生和物质循环再生 地这条红线。 原理,结合系统工程方法和近代科技成就,根据 2.1.1种植业是农业生产的基础种植业是农业的 当地自然资源,合理组合农、林、牧、渔、加
维普资讯http://www.cqvip.com566 植物生理学通讯第44卷第3期,2008年6月 工等产业,实现经济效益、生态效益和社会效益 相结合的农业生产体系”(马世骏和李松华1987)。 这大致可以图5表示(沈允钢2001)。从图5可知, 高效生态农业必须和地球生物圈的自然运转相协 调,它是生物圈的一个重要组成部分,既要有利 于地球生物圈的良性物质循环与能量流动,又要 使其中有关的物质和能量尽可能多地为人类所利 用,这必然要通过提高作物光能利用率、巧妙调 控生物机能和利用生物间的相互关系等来实现。 围困叵 供应次级原料、 “生物垃圾 加工剩余物 水土 保持等 图5生态农业中种植业、养殖业和农副产品加工业的有 机组合(沈允钢2001) 2.1.2食物供应经济和社会可持续发展的最基本 前提是不但要保证人类吃饱,且还要能吃好。美 国食品学家Rick(2005)指出:(1)人体生命活动所 需热量随年龄的增长而增长,且男性多于女性, 一般成年男性需热量约1.17 ̄10 J.d~,女性约0.88 ̄ 10 J.d~;(2)人体生命活动所需蛋白质与所需热量 的变化趋势一致,成年男人需蛋白质约60 g.d一, 女性约48 g.d~,但女性在怀孕(约58 g.d )和哺乳 期(约64 g.d )需要量较大;(3)人体生命活动还需 要10种必需氨基酸(人体必不可少,而机体内又 不能合成,必须从食物中补充)和2种必需不饱和 脂肪酸(维持生命活动所必需,体内不能合成或合 成速度不能满足需要而必需从外界摄取);(4)人体 生命活动还需要许多维生素(如维生素A、B族、 C、D、E和K等)和矿质元素(钙,磷,铁,铜, 镁,钠和钾氯化物,锌,碘,锰和硒等1。上 述热量和营养成分直接或间接来源于植物生命活动 所固定、吸收或通过代谢所产生(表1)。一般认 为,植物性黑色食品的营养丰富,多有补肾、防 衰老、保健益寿、防病治病和乌发美容等效果。 有人研究表明,黑米的维生素B 是普通大米的2 倍,维生素B 、B 、B 和铁是普通大米的7倍; 黑木耳可抗血小板凝聚和阻止血液中胆固醇沉积 (张素华等2006)。 表1人体生命活动需要进食的营养成分与植物的关系 营养成分 来源 碳水化合物(淀粉、蔗糖等) 来源于植物 蛋白质(由氨基酸组成) 必需氨基酸来源于植物 油脂(如亚油酸、亚麻酸) 必需脂肪酸来源于植物 维生素(如维生素A、B) 基本来源于植物 矿物质(如K、Na、Mg) 主要来源于植物 水 部分来源于植物 膳食纤维(纤维素等) 来源于植物 2.2植物生命活动与医疗保健植物通过光合作 用捕获光能,通过代谢将简单无机物转化为复杂 有机物,为地球上的生物圈提供氧气、能量和 有机物。人类在从植物中获取碳水化合物和蛋白 质等初生代谢物作为食物来源的同时,还从植物 中获得了大量的次生代谢物质。地球上被子植物 有约400科,1 0 000多属,近30万种,大多 数的属在次生代谢途径上或多或少有所特异,是 一个巨大的天然次生代谢物质宝库,将源源不断 地为人类的医疗保健提供珍贵的资源(陈晓亚 2006)。 2.2.1中草药中草药是医疗中最常用于防治疾病 的植物、动物、矿物及其加工品。《全国中草 药汇编》一书共收中草药2 200种左右,其中植 物为2 068种,占94.0%,这充分说明植物生命 活动在医疗保健中的巨大作用(《全国中草药汇 编》编写组1978)。不仅我国如此,21世纪初 世界卫生组织认定的252种基本药物中,1 1%只 能从开花植物中得到,其中有些药物(如紫杉醇、 长春碱、长春新碱和喜树碱等)有显著改善晚期癌 症患者的化疗效果(陈吉荣2004)。为更好利用植 物中的形态结构及分类知识来研究药用植物形态、 组织、生理功能、分类、鉴定、资源开发和合 理利用,我国开设了专门以具有医疗保健类植物 为研究对象的学科——药用植物学,目前全国中
维普资讯http://www.cqvip.com植物生理学通讯第44卷第3期,2008年6月 567 草药大面积栽培的约250多种,达到3.33x10 hm 以上,在品种和种植面积上均达到了前所未有的 促进环境的演化。 2.3.1维护生物圈良性运转