一粒種子，從一萌芽開始就知道莖往上長，根朝下紮。那麼，它是怎樣知道“上”“下”的概念的呢？是什麼力量讓它選擇這種生長方式的呢？這是許多植物生理學家一直感興趣的問題。
牛頓發現的萬有引力，給植物學家帶來啟發，人們認識到，地球的吸引力是影響植物生長方向的重要因素。那麼促使植物莖上根下生長的力量是什麼？著名生物學家達爾文曾觀察到，植物的根和芽在改變生長方向時，各部位細胞的生長速度是不同的，至於其原因，他當時無法作出更進一步的解釋。
1926年，美國植物生理學家弗裏茨·溫特第一次發現了植物生長素的秘密。他做了一個實驗，使植物的胚芽鞘一麵接受光照，一麵對著黑暗處，結果胚芽鞘在生長過程中漸漸向有光的方向彎曲。從胚芽鞘中，溫特分離出一種化合物，因為這種化合物具有促使植物生長的功能，所以，溫特稱之為植物生長素。他發現，生長素總是愛聚集到遮蔭的一側，因而使植物的遮蔭部分生長加快，而相對缺少生長素的受光部分則生長較慢，結果導致植物發生彎曲。於是溫特指出，植物莖、葉的彎曲是由生長素在組織內分布不均造成的。在重力條件下，生長素也會向植物下部積累，使植物根向下長，莖向上長。
這一發現，吸引了眾多科學家對生長素的研究。他們通過實驗進一步發現，生長素在根細胞內的分布也不對稱，水平放置的根，上麵要比下麵生長快，促使根向下彎曲生長。
後來，美國俄亥俄州立大學的植物學家邁克爾·埃文斯和他的同事在研究中又有了新的發現，植物在彎曲生長的過程中，無論根冠下側還是芽的上側，都含有大量的無機鈣。由此，他們提出一個新理論：無機鈣在植物生長方向上起舉足輕重的作用。對此，埃文斯是這樣解釋的，因為根冠中有極為豐富的含澱粉體的細胞，澱粉體在貯存澱粉的同時也貯存大量無機鈣。在重力的作用下，澱粉體會把內部貯存的鈣送到根冠下側，使根向下生長。這時如果用實驗手段阻止鈣的移動，植物就會表現出非正常的生長方式。植物的芽也是這樣，澱粉體也能將貯存的無機鈣送到上側細胞中。因此說無機鈣對植物生長方向有著不可缺少的作用。
如果真是這樣，重力可以使無機鈣到達根冠下側，那麼把無機鈣送到芽上側的力量又是什麼呢？美國得克薩斯州立大學的斯坦利·魯進一步研究發現，由於細胞的上端和下端電荷數量不同，這種不一致引起了細胞極化。當為數眾多的被極化細胞排列在一起時，會產生有足夠吸引力的總電荷，是總電荷吸引著帶相反電荷的鈣原子在植物體內來去自如地上下移動的。因此他認為，控製植物生長方向的是細胞的極性。
研究並未停頓，爭論也並未終止，到底植物的生長方向由什麼決定，還是一個有待探索的謎。