植物有哪些你不知道的“神奇能力”?

对植物来说,光既是一种信号,也是一种食物来源(图片来源:katalinks/Alamy) Image copyright Alamy

根据杰克·舒尔茨(Jack C Schultz)的看法,植物"只是行动非常缓慢的动物"。

这不是对基础生物学的误解。舒尔茨是位于美国哥伦比亚的密苏里大学(University of Missouri in Columbia)植物科学系的教授。他花了四十年时间研究植物和昆虫之间的相互作用。他对自己的研究了若指掌。

相反,他探讨的是我们对植物的通常看法。他觉得人们通常对植物视而不见。然而,植物会争夺领土,寻找食物,逃避捕食者,让猎物落入陷阱。它们像任何动物一样活着,并且有着相应的行为。

法国里昂大学(University of Lyon)的植物学家奥利维尔·哈曼特(Olivier Hamant)说:"要看到这一点,你只需要制作一个关于植物生长的高速播放电影——然后,植物的行为看起来就像动物了。事实上,延时摄像机揭示了鲜为人知的植物行为的精彩世界,任何观看了大卫·艾登堡生命系列记录片(David Attenborough's Life)中著名的林地片段的人都可以为此证明。

植物的移动是有目的的,这意味着它们一定意识到周围发生的事。"为了作出正确的反应,植物还需要根据不同条件调节复杂的传感器官,"舒尔茨说。

那么什么是植物的感觉?如果你相信以色列特拉维夫大学的丹尼尔·查莫维兹(Daniel Chamovitz)的看法,那么植物的感觉和我们自己的感觉没有什么不同。

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Image caption 这些向日葵"知道"什么?(图片来源:Igor Stevanovic/Alamy)

当查莫维兹开始写作他2012年出版的著作《植物知道的事》(What a Plant Knows)时,他还为此感到有些担心,在书中,他通过最严谨和最新的科学研究探讨了植物如何体验这个世界。

"我非常担心这本书会引发的反响,"他说。

他的担心并是没有根据的。在他的书中,植物有视觉、嗅觉、触觉,有感知能力,这些描述都与1973年出版的流行读物《植物的秘密生活》(The Secret Life of Plants)遥相呼应。后者,吸引了经历了"权力归花儿"(flower power)运动的一代人,但几乎不包含事实信息。

在早先的这本书中,可能最经得起验证的说法就是植物会对古典音乐的声音作出积极的反应。但这个看法完全不可信。

但是自20世纪70年代以来,植物感知领域的研究已经取得了很大的进展。近年来有关植物感知的研究也有所增加。这项研究不是为了简单地表明"植物有感情",而是要探讨植物为什么以及如何感知其周围环境。

海蒂·阿佩尔(Heidi Appel)和雷克斯·考克罗夫特(Rex Cocroft)是舒尔茨在密苏里大学的同事,他们正在研究植物听觉的真相。

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Image caption 像这种暗点赭尺蠖(Erannis defoliaria)一样的毛毛虫对植物叶子来说就是厄运(图片来源:H. Lansdown/Alamy)

"我们研究工作的主要贡献是为植物为什么能被声音影响找到一个原因,"阿佩尔说。贝多芬的交响乐对植物几乎没有什么影响,但一条饥饿的毛毛虫靠近植物就是另一回事。

在他们的实验中,阿佩尔和考克罗夫特发现,毛虫啃噬所产生的声音的录音会引起植物的叶子上分泌出大量的化学防御剂。"我们的研究表明植物对生态相关的"声音"作出了与生态相关的反应,"考克罗夫特说。

生态相关性是关键。苏黎世瑞士联邦理工学院(Federal Institute of Technology)的康斯薇洛·德莫赖斯(Consuelo De Moraes)与合作者的研究表明,除了能够听到靠近的昆虫外,一些植物可以闻到它们,或者嗅到邻近植物在作出反应时释放的挥发性信号。

更可怕的是,在2006年时,她曾演示过一种被称为菟丝子(dodder vine)的寄生植物如何嗅出一个潜在的宿主。当时,蜿蜒的菟丝子在空中扭曲,然后卷绕在倒霉的宿主上,提取其营养物质。

在概念上,这些植物与我们没有什么区别。它们闻到或听到一些东西,然后采取相应行动,就像我们一样。

但是,当然,有一个重要的区别。 "我们不知道植物和动物的气味感知机制的相似程度,因为我们不太了解植物的这些机制,"德•莫赖斯说。

我们有鼻子和耳朵,但植物有什么?

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Image caption 一种较大的菟丝子(欧洲菟丝子)(Cuscuta europaea)缠绕住了它的宿主苦苣菜(图片来源:Nigel Cattlin/Alamy)

缺乏明显的感觉输入中枢增加了我们理解植物感觉的难度。当然也并不总是这样,例如,目前关于植物"视觉"所使用的受光体已经有相当充分的研究,不过它仍然是一个值得进一步研究的领域。

阿佩尔和考克罗夫特希望跟踪研究植物对声音作出反应的那一部分或多个部分。

有可能的候选者是所有植物细胞中都存在的机械受体蛋白(mechanoreceptor proteins)。它们能够把声波在物体上扫过时产生的微小的形变转变成电信号或化学信号。

他们正在进行测试,看机械受体存在缺陷的植物是否仍然可以响应昆虫噪音。对植物而言,它们可能不需要像耳朵那样笨重的东西。

我们与植物共享的另一种能力是本体感觉:"第六感觉"使我们中的一些人能够盲打键盘,玩杂耍,并且大概知道我们身体的各个部位在空间中的位置。

因为这种感知能力并不与动物的器官存在内在关联,而是依赖于肌肉中的机械受体和大脑之间的反馈回路,所以可以直接与植物比较。虽然分子层面的细节有些不同,但是植物也有机械受体,可以检测其周围环境的变化,并相应地作出反应。

"总体想法是一样的,"2016年一份本体感觉研究评论的共同作者哈曼特说,"到目前为止,我们所知道的是,在植物中,更多的是与微管(细胞的结构组件)有关,它对拉伸和机械变形作出响应。

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Image caption 玩杂耍等技能的背后是本体感觉(图片来源:KAKIMAGE2/Alamy)

事实上,2015年发表的一项研究似乎显示出更深层的相似性,表明肌动蛋白(肌肉组织中的关键组成部分)在植物本体感觉中的作用。 "这一点的支持不太充分,"哈曼特说,"但有一些证据表明组织中的肌动蛋白纤维参与其中;几乎像肌肉一样。

这些发现不是唯一的。随着植物感知研究的进展,研究人员已经开始发现重复的规律,暗示植物与动物的深度对等。

2014年,瑞士洛桑大学(University of Lausanne)一个团队的研究表明,当毛虫攻击拟南芥植物时,它会触发了一波电活动。植物中电信号的存在不是一个新的想法,早在1874年,生理学家约翰·博顿-桑德森(John Burdon-Sanderson)就提出它是捕蝇草(Venus flytrap)的行动机制,但令人惊讶的是被称为谷氨酸受体的分子发挥的作用。

谷氨酸是我们中枢神经系统中最重要的神经递质,它在植物中起着完全相同的作用,除了一个关键的区别:植物没有神经系统。

"分子生物学和基因组学告诉我们,植物和动物是由非常有限的一组分子"砖块"组成,两者非常相似,"位于捷克首都布拉格的查尔斯大学(Charles Universit)的研究员法蒂玛•茨夫尔奇科娃(Fatima Cvrčková)说。电子通信以两种不同的方式进化,每次使用一组"砖块",这可以追溯到15亿年前动物和植物分化之前。

"进化已经带来一定数量的潜在沟通机制,虽然你可以通过不同的方式前进,但终点仍然是一样的,"查莫维兹说。

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Image caption 拟南芥(Arabidopsis thaliana)使用电信号(图片来源:Nigel Cattlin/Alamy)

人们认识到这种相似性的存在以及植物感知世界的能力可能比外表显示出来的大的多,这就引起了一些关于"植物智能"的惊人观点。甚至还由此产生了新的学科。植物中的电信号传导是"植物神经生物学"(尽管植物中没有神经元,但仍然使用了这一术语)这门学科诞生的关键因素之一。现在还有一些植物研究者正在调查传统上不属于植物的领域,比如记忆、学习和问题解决能力。

这种思维方式甚至导致瑞士的立法者制定了旨在保护"植物尊严"的政策指南,不管这种尊严意味着什么。

虽然许多人认为"植物智力"和"植物神经生物学"这样的术语是一种隐喻,但它们仍然遭到了许多批评,尤其是来自查莫维兹的批评。"我认为植物很聪明吗?我认为植物很复杂,"他说。不过复杂性不应该与智力混为一谈,他强调。

因此,尽管用拟人术语来描述植物有助于表达和传达想法,但它也存在局限性。危险之处在于我们最终会把植物当成是动物的较低版本,而这就混淆了重点。

茨夫尔奇科娃说:"当向公众展示植物研究的成果时,植物科学家乐于谈论植物和动物在生活方式上的相似性和差异性。然而,她认为依赖于基于动物的隐喻来描述植物会引起问题。

"你应该避免[这样的隐喻],除非你的兴趣在于争论当你吃胡萝卜时它能否感到疼痛(而这种辩论通常是徒劳的)。

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Image caption 我们不知道胡萝卜是否能感觉到疼痛(图片来源:Chris Howes/Wild Places/Alamy)

植物能极好的适应它们需要做的事情。它们或许没有神经系统、大脑和那些我们认为与复杂性相关的功能,但它们在其他领域表现优异。

例如,虽然植物没有眼睛,但是像拟南芥这样的植物拥有至少11种类型的受光体,而我们少的可怜,只有四种。这意味着,在某种程度上,它们的视觉比我们更加复杂。植物有不同的优先事项,而它们的感觉系统恰恰反映了这一点。正如查莫维兹在他的书中所指出的:"对植物来说,光不仅仅是一个信号;光也是食物。"

因此,虽然植物面临许多与动物相同的挑战,但它们的感官需要也一样是由它们的特点决定的。"植物扎根在土地里,它们不能移动的事实意味着实际上它们必须比你我更加了解自己所处的环境,"查莫维兹说。

要充分认识植物感知世界的方式,重要的一点是科学家和公众要懂得欣赏植物本身。

"研究植物感知的危险在于,如果我们不断地将植物与动物进行比较,我们可能会错失植物的价值,"哈曼特说。

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Image caption 植物可能看起来一动不动,而且一声不发,但实际并不如此(图片来源:Cosmo Condina/Alamy)

"我希望植物被更多的人认为是惊人的、有趣的、有异国风情的生物,"茨夫尔奇科娃表示同意,"而不是作为人类营养和生物燃料的来源而已。这种态度将让每个人受益。遗传学、电生理学和转座子的发现只是从植物研究开始而出现的研究领域的几个例子,它们都被证明对于生物学整体产生了革命性影响。

相反,认识到我们与植物的共同点可能是一个机会,它让我们接受这样一种观点:我们比想象中更像植物,正如植物比我们通常默认的更像动物。

"也许我们比想象中的自己更机械化,"查莫维兹作出结论。对他来说,这种相似性应该提醒我们,植物具有惊人的复杂性,以及拥有地球上所有生命的共性。

"然后我们就可以开始欣赏生物学的统一性了。"

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