植物的根為什麼往下、芽為什麼往上長？
― 就算把種子倒著種，也會好好長大
你是否曾經把牽牛花的種子隨手埋進土裡，沒特別注意方向？結果根還是往下長,芽還是往上長。植物既沒有眼睛，也沒有大腦，卻能知道哪邊是下方。答案的線索，就藏在細胞裡的「重顆粒」中。
還記得小學時種牽牛花或菜豆的種子嗎？老師是不是說過「方向不用在意」？事實上，不管用哪個方向埋下去，芽都會好好長出來。
颱風過後，你可能看過倒伏的稻子。過幾天再看，倒下的稻稈只有前端立了起來，像是「抬起頭」一樣。
明明植物不能移動，卻能把方向調整回來。這股「矯正方向的力量」，究竟從何而來？
原因大致可分成兩點
根尖和莖的部分細胞裡，含有比周圍重的小顆粒。這些顆粒受重力牽引，會沉到細胞底部。沉下去的地方就是「下方」。植物正是靠這個沉澱的方向來判斷上下。
顆粒沉積的那一側，會聚集較多調節生長的物質。這種物質在莖裡會加強生長，在根裡卻反而會抑制生長。同樣是偏向一側，反應卻相反，所以彎曲的方向也剛好相反。
換句話說，植物擁有「感知上下的機制」和「把感知結果轉換成動作的機制」，這兩者是分開運作的。接下來依序來看。
植物如何知道「下方」在哪裡
根的尖端有一個像帽子的部位，叫做根冠。根冠內側的細胞裡，含有大量儲存澱粉、比較重的顆粒。因為比周圍的液體重，這些顆粒會在細胞裡緩緩沉到底部。
顆粒沉降需要時間。根據推測，把植株橫放後，顆粒完全沉澱大約要幾分鐘，開始出現彎曲要十幾分鐘後，肉眼能看出彎曲則要幾個小時後。植物的反應看起來很慢，並不是因為感知得慢，而是因為細胞伸長本身就需要時間。
就算把種子倒著埋下去，連同細胞一起倒轉，顆粒還是會重新沉到底部。不管在地球上哪個地方，顆粒沉澱的方向就是下方。植物就是只靠這個「沉澱的方向」來得知自己的姿勢。
請看圖1。左圖是剛被橫放的幼苗，右圖是經過一段時間、方向已經調整過來的樣子。
為什麼根和芽彎曲的方向會相反
顆粒沉澱之後，那一側會運來較多調節生長的植物激素。到這裡為止，根和莖都是一樣的。差別在於接下來的反應。
莖的細胞是這種物質越多就伸長得越快。橫放的莖下側伸長較快，所以莖會往上翹起。
可是根的細胞剛好相反，同樣的物質一旦太多，伸長反而會停止。橫放的根下側伸長變弱，只有上側繼續伸長，於是根就往下彎。同一個訊號，卻得到完全相反的回應。
還有一個重點是彎曲發生的位置。感知重力的是尖端的細胞，但實際伸縮而彎曲的，是稍微靠後、還柔軟的部位。感知的地方和動作的地方有一段距離，所以訊號要靠物質的流動傳送幾公釐遠。
倒伏的稻子之所以能從莖的中段彎折著站起來，也是同樣的道理。已經變硬的根部不會動，只有節旁邊還柔軟的部分重新伸長，把姿勢調整回來。
很多人以為芽往上長是因為朝著光的方向前進。可是土裡是一片漆黑。幼苗在冒出地面之前，完全沒有用到光線來決定方向。趨光而彎曲的性質，是冒出地面之後才疊加上去的。
有報告指出，在國際太空站這種幾乎沒有重力作用的地方種植物，根伸長的方向會變得不穩定。對植物來說，重力是理所當然存在的一條「基準線」。
總結
植物靠細胞裡沉澱的顆粒來判斷上下，再根據沉澱側聚集的物質量來改變生長方式。根和芽彎曲方向相反，是因為對同一種物質的反應方向剛好相反。之所以不用在意種子的方向，是因為植物自己能把方向調整回來。
植物並不是在「看」下方。
只是細胞裡的顆粒靜靜地沉澱下去而已。
樹木把水運送到高處的機制，請見〈樹木為什麼能把水吸到100公尺高的地方？〉；樹木依季節改變生長方式的故事，請見〈樹木的年輪，為什麼一年只長一圈？〉；同樣的生長物質如何排列出種子形狀的故事，請見〈向日葵的種子，為什麼會排成螺旋狀？〉。此外，植物不靠生長、而是靠水分進出來快速動作的例子，請見〈含羞草為什麼一碰就馬上闔上葉子？〉。
植物配合季節改變體內成分的話題，也可以在〈為什麼砍伐木材要選在秋冬之際？〉和〈當季蔬菜真的營養比較多嗎？〉
會彎曲的只有根「尖端的幾公釐」，已經變硬的部分不會動。在剛開始彎曲的位置做個記號，就能清楚看出哪裡在生長。 會彎曲的只有根尖非常短的一段。那麼，這個尖端到底以多快的速度前進呢？假設幼苗的根一天伸長1公分，換算成不同的時間單位試試看。請注意單位的換算方式。 算出來每小時大約伸長0.42公釐，一個月大約伸長30公分。頭髮一個月大約長1公分，換句話說，根在土裡前進的速度大約是頭髮生長速度的30倍。植物看起來不會動，但在地底下其實移動得相當快。 高中高中生物會學到，屈性是「對刺激方向做出固定方向反應」的現象。對光的反應叫做向光性，對重力的反應叫做重力屈性。兩者都可以用生長素的偏向聚集來解釋。 高中＋生長素只會沿著固定方向從一個細胞傳到下一個細胞。負責運送的蛋白質排列在細胞的哪一面，決定了流動的方向。感知到重力的細胞裡，這種運輸蛋白會重新集中到下側的細胞膜上，因此推測生長素的流動會偏向下側。 大學的植物生理學會把這個現象分成「感知重力」「訊號轉換」「反應」三個階段來討論。在感知階段，一般認為是沉澱的顆粒推擠細胞內的膜或骨架結構，成為觸發訊號的關鍵。這個受推擠的訊息會轉換成鈣離子的移動或細胞內酸鹼度的變化，最後改變運輸蛋白的排列方式。這是一個把「力」這種物理量翻譯成化學訊號的過程。根和莖的反應之所以相反，一般解釋是因為不同器官的細胞對同樣生長素濃度的伸長反應曲線本來就不一樣。「沉澱的顆粒感知重力」這個想法稱為澱粉平衡石學說,「生長素偏向聚集造成彎曲」這個想法稱為柯洛德尼—溫特學說，這兩者是目前解釋的基礎。 📖 延伸閱讀：重力屈性（維基百科，日文版） 也就是說，這篇文章的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。顆粒會沉澱這件事已經確認無誤，但再往後的機制，至今仍在不斷被改寫。 ※本文為大眾科普解說。文中數值僅為幫助理解機制的參考估算值。伸長速度與反應強弱，會因植物種類、溫度、水分而有很大差異。進行觀察時，請勿擅自從戶外自然環境採集種子或幼苗。
想知道更多 ― 術語、公式、與教科書的關聯從國中理化到大學專業科目，各段落都會標明程度
國中術語：這個現象是有名字的
國中高中用公式驗證：根到底長得多快
用符號表示 L ＝ v × t 用文字表示 根伸長的長度 ＝ 伸長速度 × 經過時間 公式的由來 把「速度 ＝ 移動距離 ÷ 花費時間」這個速度定義，改寫成關於長度的式子。這裡假設根尖以大致固定的速度前進來做估算。
符號與意義 幼苗根部伸長的速度，單位為公分每天 伸長速度（因種類與溫度而異） 每天約1公分 一天的長度，單位為小時 24小時 一個月的天數，單位為天 30天
每小時伸長幾公分 1 ÷ 24 ≒ 0.042 把公分換成公釐 0.042 × 10 ＝ 0.42 一個月伸長幾公分 1 × 30 ＝ 30 高中高中＋偏向聚集是怎麼產生的
大學重量的訊息如何變成化學訊號
研究中目前還沒有完全弄清楚的事
與教科書的關聯（依程度分類）
程度 科目・單元 對應本文哪個部分 國中 理化・植物的構造與功能／力與重量 根與芽的方向、重力一詞的意義 高中 生物・植物的環境反應（屈性與生長素） 根與莖彎曲方向相反的原因 高中＋ 生物・進階／教科書專欄 生長素的運輸與流動方向 大學 植物生理學・細胞生物學 從感知到反應的三個階段 研究中 植物的重力反應、太空栽培 目前還沒有完全弄清楚的事 ― 與生活的關聯 種子播種的方向、倒伏作物重新站起