5D Library › 本草的分子与风土 · English

第一章 风土的生物化学本质

一个从葡萄酒借来的词

酿酒人用法语 terroir(风土)指一个地方在它出产的东西上留下的印记:土壤、坡向、气候,以及耕作它的人。葡萄栽培学研究这一概念已有几十年,证据显示,主要影响是通过少数几项可测量的因素起作用的,主要是葡萄树得到多少水、温度多高、果实受到多少光照 (Leeuwen and Seguin 2006)。中国传统对同一种直觉有自己的说法:「道地」,指几个世纪以来公认的最佳产区出产的药材。第七章会回到这一传统。本章要问的是:从化学上说,风土是什么?

答案从一个区分开始。植物的初生代谢(光合作用、呼吸作用,以及糖、氨基酸和细胞壁的合成)维持它的生命;次生代谢则合成一些它日常生存并不必需、却有助于应对特定威胁的分子:吸收紫外线的酚类、驱避昆虫的辛辣物质、让组织难以下咽的单宁。人们在草药和水果中看重的许多分子都是次生代谢物,它们的含量对环境的反应,远比初生代谢物敏感。

证据

关于植物次生代谢的综述发现,光照(包括紫外线)、温度、水分、土壤养分和盐分都会改变植物合成的酚类、萜类和生物碱的量,变化往往很大,而方向取决于物种和化合物 (Yang et al. 2018)。并不存在「胁迫总会增加活性成分」这样的单一规律。

因此,两个产地可能出于两个不同的原因,从同一种植物得到不同的原料。第一,植物有多少碳可以支配,这由光合作用减去呼吸作用决定;第二,它怎样分配这些碳,这由光照、低温、干旱等信号决定。本章为第一点建立模型,因为它能计算;第二点需要逐个作物去测量。

阿伦尼乌斯方程

活细胞里几乎每一个化学反应都在温度升高时加快。1889 年,斯万特·阿伦尼乌斯描述了反应速率常数 kk 与绝对温度 TT 的关系 (Arrhenius 1889):

k=Ae−Ea/RTk = A\,e^{-E_a/RT}

其中 EaE_a 是活化能,RR 是气体常数(8.314 J mol−1^{-1} K−1^{-1}),AA 是常数。植物生理学家更常用 Q10Q_{10},即温度每升高 10 °C 速率增加的倍数。在常见温度范围内,植物呼吸作用的 Q10Q_{10} 通常接近 2,不过当高温或低温持续数天时,植物会部分适应 (Atkin and Tjoelker 2003)。两种描述可以互相换算:

推导

在 20 °C 附近使 Q10=2Q_{10} = 2 的活化能,以及为什么固定的 EaE_a 会让 Q10Q_{10} 随温度略有漂移。

import math

R = 8.314                      # gas constant, J/(mol·K)

def arrhenius_ratio(Ea, T1, T2):
    """How many times faster a reaction runs at T2 than at T1 (°C)."""
    return math.exp(Ea / R * (1 / (T1 + 273.15) - 1 / (T2 + 273.15)))

# A Q10 of 2 near 20 °C corresponds to this activation energy:
Ea = R * math.log(2) / (1 / 288.15 - 1 / 298.15)
print(f"Ea for Q10 = 2 between 15 and 25 °C: {Ea / 1000:.1f} kJ/mol")
for lo, hi in ((5, 15), (15, 25), (25, 35)):
    print(f"  Q10 from {lo} to {hi} °C: {arrhenius_ratio(Ea, lo, hi):.2f}")
# Ea for Q10 = 2 between 15 and 25 °C: 49.5 kJ/mol
#   Q10 from 5 to 15 °C: 2.10
#   Q10 from 15 to 25 °C: 2.00
#   Q10 from 25 to 35 °C: 1.91

白天与夜晚

光合作用只在有光时进行,呼吸作用则昼夜不停。植物一天的净收益,大致等于白天固定的碳减去 24 小时呼吸掉的碳。呼吸作用通过阿伦尼乌斯关系依赖温度,所以温暖的夜晚会让植物付出凉爽夜晚不必付出的碳。

这就是一种常见解释的基础:为什么高山作物往往糖分和其他贮藏物质更丰富——白天温暖利于光合,夜晚凉爽减缓呼吸。这个解释方向是对的,但不完整,因为光合作用自己也有最适温度。白天太热时,光合作用下降,白天的呼吸却上升。一个模型可以把这种取舍呈现出来。

推导

逐分钟计算的一天碳收支。温度按正弦曲线变化,14:00 最高;光照从 06:00 升起,正午最强,18:00 归零;总光合作用在 25 °C 时最大,偏离越远越低;呼吸作用 Q10=2Q_{10} = 2。所有单位都是相对值,所有参数都是示例。

import math

def day_balance(t_mean, swing, t_opt=25.0, width=10.0, r20=0.12, q10=2.0):
    """One day, hour by hour. Temperature is a sine wave peaking at 14:00;
    light is a sine arch from 06:00 to 18:00. Units are arbitrary:
    1.0 = gross photosynthesis per hour at full light and t_opt."""
    gross = resp_day = resp_night = 0.0
    for i in range(24 * 60):                       # one-minute steps
        h = i / 60
        temp = t_mean + swing * math.cos(2 * math.pi * (h - 14) / 24)
        light = max(0.0, math.sin(math.pi * (h - 6) / 12))
        gross += light * math.exp(-((temp - t_opt) / width) ** 2) / 60
        resp = r20 * q10 ** ((temp - 20) / 10) / 60
        if light > 0:
            resp_day += resp
        else:
            resp_night += resp
    net = gross - resp_day - resp_night
    return gross, resp_day, resp_night, net

print("site                      gross  resp.day  resp.night   net  lost")
sites = (("cool highland, 21 ± 6 °C", 21, 6), ("warm lowland, 27 ± 4 °C", 27, 4))
for name, tm, sw in sites:
    g, rd, rn, n = day_balance(tm, sw)
    print(f"{name:25s} {g:5.2f}  {rd:8.2f}  {rn:10.2f}  {n:5.2f}  {100 * (rd + rn) / g:3.0f}%")
print()
print("same mean (22 °C), wider swing:")
for sw in (2, 6, 10):
    g, rd, rn, n = day_balance(22, sw)
    print(f"  ± {sw:2d} °C: night respiration {rn:.2f}, net {n:.2f}")
# site                      gross  resp.day  resp.night   net  lost
# cool highland, 21 ± 6 °C   7.33      1.97        1.25   4.11   44%
# warm lowland, 27 ± 4 °C    6.03      2.75        2.02   1.26   79%
#
# same mean (22 °C), wider swing:
#   ±  2 °C: night respiration 1.54, net 4.08
#   ±  6 °C: night respiration 1.34, net 3.78
#   ± 10 °C: night respiration 1.19, net 2.23

凉爽的高地产地把不到一半的总光合产物用于呼吸;温暖的低地产地则损失近五分之四。输出的第二部分才是意外之处:在同样 22 °C 的平均温度下,昼夜温差拉大确实会降低夜间呼吸,但超过几度之后,净收益反而下降,因为炎热的午后把光合作用推过了最适点,并提高了白天的呼吸。阿伦尼乌斯曲线是指数形状的,这意味着平均温度并不能告诉你平均速率:一天在 12 °C 与 32 °C 之间摆动,全天的呼吸总量比恒定在 22 °C 时更多。

模型中一天的净收益与昼夜温差幅度的关系,三条曲线对应三个平均温度。凉爽产地温差越大越有利;温暖产地则相反。最佳温差取决于平均温度离光合最适温度有多远。

图中显示了一般规律。平均 18 °C 时,温差加大有利,因为它把午后温度抬向最适点,而夜晚依然凉爽;平均 26 °C 时,任何温差都不利。「昼夜温差大」只有在它带来的白天温度接近作物所喜欢的范围时,才对作物有好处。

两个地方,两种植物

铁皮石斛在中国东部亚热带地区自然生长时附生于树皮或潮湿、背阴的岩石上。浙江乐清的雁荡山是一座白垩纪破火山,主要由流纹岩这种细粒火山岩构成 (UNESCO World Heritage Centre 2001)。一株扎根在流纹岩薄苔藓层上的石斛,几乎没有土壤可依,水分主要来自雨和雾,承受的是某一片崖壁特有的光照与温度。马来西亚彭亨州文冬高地的生姜则长在土壤里,地处热带,四季变化很小,主要的变量是山地与低地之间的温度差;文冬姜受地理标志保护 (Khalid et al. 2026)。

上面的模型对这两个地方只能说最一般的话:夜晚较凉的产地,呼吸损失的碳较少,因而有更多碳可以分配——前提是白天离最适温度不太远。它说不出这些碳有多少会变成石斛茎里的多糖,或生姜根茎里的姜辣素。那取决于植物的信号调控、采收时的年龄以及遗传背景,必须实际测量。

假说 · 尚未验证

尚未确立。 对同一品种、同一采收年龄而言,贮藏物质的含量(铁皮石斛茎中的多糖、生姜根茎中的淀粉)随生长季净碳收支增加而增加,而净碳收支可以用逐小时温度与光照记录、按上面这类模型估算。该假说预测:跨产地比较时,实测含量与模型估算的生长季碳收支呈正相关。如果在扣除品种与采收年龄的影响后,在足够多的产地(例如二十个)之间找不到这种相关,假说就被推翻。

注

「风土」常被用作营销词汇,对「某地出产最好」的说法应当谨慎看待。产地是通过可以测量的因素影响作物的:温度、光照、水分、养分,以及植物的遗传与年龄。如果一种说法无法与其中某一项、或与产品中实测的差异联系起来,那它是一个故事,而不是一个发现。

参考文献

Arrhenius, Svante. 1889. “Über Die Reaktionsgeschwindigkeit Bei Der Inversion von Rohrzucker Durch Säuren.” Zeitschrift Für Physikalische Chemie 4: 226–48.
Atkin, Owen K., and Mark G. Tjoelker. 2003. “Thermal Acclimation and the Dynamic Response of Plant Respiration to Temperature.” Trends in Plant Science 8 (7): 343–51.
Khalid, N. S. S., L. A. Rosli, M. F. Yunus, M. S. Salleh, and T. C. M. Sundram. 2026. “Current Developments on Taxonomy, Agronomy, Bioactivity and in Vitro Micropropagation of Two Malaysian Ginger Varieties: Zingiber Officinale Rosc Cv. Bentong and Zingiber Officinale Rosc Cv. Rubrum.” Plant Science Today 13 (3). https://doi.org/10.14719/pst.9757.
Leeuwen, Cornelis van, and Gérard Seguin. 2006. “The Concept of Terroir in Viticulture.” Journal of Wine Research 17 (1): 1–10.
UNESCO World Heritage Centre. 2001. Yandang Mountain (Tentative List Entry, Submitted 29 November 2001). https://whc.unesco.org/en/tentativelists/1627.
Yang, L., K.-S. Wen, X. Ruan, Y.-X. Zhao, F. Wei, and Q. Wang. 2018. “Response of Plant Secondary Metabolites to Environmental Factors.” Molecules 23 (4): 762.

Fan, Y. (2026). Molecules and Terroir: Polysaccharides of Dendrobium officinale, Gingerols of Zingiber officinale, A-Type Proanthocyanidins and the Mass Transfer of Freeze-Drying [本草的分子与风土] (Version 1.0.0). 5D Library. https://doi.org/10.5281/zenodo.23693057 · Licensed under Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0).