植物有哪些你不知道的「神奇能力」?

對植物來說,光既是一種信號,也是一種食物來源(圖片來源:katalinks/Alamy) Image copyright Alamy

根據傑克·舒爾茨(Jack C Schultz)的看法,植物"只是行動非常緩慢的動物"。

這不是對基礎生物學的誤解。舒爾茨是位於美國哥倫比亞的密蘇里大學(University of Missouri in Columbia)植物科學系的教授。他花了四十年時間研究植物和昆蟲之間的相互作用。他對自己的研究了若指掌。

相反,他探討的是我們對植物的通常看法。他覺得人們通常對植物視而不見。然而,植物會爭奪領土,尋找食物,逃避捕食者,讓獵物落入陷阱。它們像任何動物一樣活著,並且有著相應的行為。

法國里昂大學(University of Lyon)的植物學家奧利維爾·哈曼特(Olivier Hamant)說:"要看到這一點,你只需要製作一個關於植物生長的高速播放電影——然後,植物的行為看起來就像動物了。事實上,延時攝像機揭示了鮮為人知的植物行為的精彩世界,任何觀看了大衛·艾登堡生命系列記錄片(David Attenborough's Life)中著名的林地片段的人都可以為此證明。

植物的移動是有目的的,這意味著它們一定意識到周圍發生的事。"為了作出正確的反應,植物還需要根據不同條件調節複雜的傳感器官,"舒爾茨說。

那麼什麼是植物的感覺?如果你相信以色列特拉維夫大學的丹尼爾·查莫維茲(Daniel Chamovitz)的看法,那麼植物的感覺和我們自己的感覺沒有什麼不同。

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Image caption 這些向日葵"知道"什麼?(圖片來源:Igor Stevanovic/Alamy)

當查莫維茲開始寫作他2012年出版的著作《植物知道的事》(What a Plant Knows)時,他還為此感到有些擔心,在書中,他通過最嚴謹和最新的科學研究探討了植物如何體驗這個世界。

"我非常擔心這本書會引發的反響,"他說。

他的擔心並是沒有根據的。在他的書中,植物有視覺、嗅覺、觸覺,有感知能力,這些描述都與1973年出版的流行讀物《植物的秘密生活》(The Secret Life of Plants)遙相呼應。後者,吸引了經歷了"權力歸花兒"(flower power)運動的一代人,但幾乎不包含事實信息。

在早先的這本書中,可能最經得起驗證的說法就是植物會對古典音樂的聲音作出積極的反應。但這個看法完全不可信。

但是自20世紀70年代以來,植物感知領域的研究已經取得了很大的進展。近年來有關植物感知的研究也有所增加。這項研究不是為了簡單地表明"植物有感情",而是要探討植物為什麼以及如何感知其周圍環境。

海蒂·阿佩爾(Heidi Appel)和雷克斯·考克羅夫特(Rex Cocroft)是舒爾茨在密蘇里大學的同事,他們正在研究植物聽覺的真相。

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Image caption 像這種暗點赭尺蠖(Erannis defoliaria)一樣的毛毛蟲對植物葉子來說就是厄運(圖片來源:H. Lansdown/Alamy)

"我們研究工作的主要貢獻是為植物為什麼能被聲音影響找到一個原因,"阿佩爾說。貝多芬的交響樂對植物幾乎沒有什麼影響,但一條饑餓的毛毛蟲靠近植物就是另一回事。

在他們的實驗中,阿佩爾和考克羅夫特發現,毛蟲啃噬所產生的聲音的錄音會引起植物的葉子上分泌出大量的化學防禦劑。"我們的研究表明植物對生態相關的"聲音"作出了與生態相關的反應,"考克羅夫特說。

生態相關性是關鍵。蘇黎世瑞士聯邦理工學院(Federal Institute of Technology)的康斯薇洛·德莫賴斯(Consuelo De Moraes)與合作者的研究表明,除了能夠聽到靠近的昆蟲外,一些植物可以聞到它們,或者嗅到鄰近植物在作出反應時釋放的揮發性信號。

更可怕的是,在2006年時,她曾演示過一種被稱為菟絲子(dodder vine)的寄生植物如何嗅出一個潛在的宿主。當時,蜿蜒的菟絲子在空中扭曲,然後卷繞在倒霉的宿主上,提取其營養物質。

在概念上,這些植物與我們沒有什麼區別。它們聞到或聽到一些東西,然後採取相應行動,就像我們一樣。

但是,當然,有一個重要的區別。 "我們不知道植物和動物的氣味感知機制的相似程度,因為我們不太了解植物的這些機制,"德•莫賴斯說。

我們有鼻子和耳朵,但植物有什麼?

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Image caption 一種較大的菟絲子(歐洲菟絲子)(Cuscuta europaea)纏繞住了它的宿主苦苣菜(圖片來源:Nigel Cattlin/Alamy)

缺乏明顯的感覺輸入中樞增加了我們理解植物感覺的難度。當然也並不總是這樣,例如,目前關於植物"視覺"所使用的受光體已經有相當充分的研究,不過它仍然是一個值得進一步研究的領域。

阿佩爾和考克羅夫特希望跟蹤研究植物對聲音作出反應的那一部分或多個部分。

有可能的候選者是所有植物細胞中都存在的機械受體蛋白(mechanoreceptor proteins)。它們能夠把聲波在物體上掃過時產生的微小的形變轉變成電信號或化學信號。

他們正在進行測試,看機械受體存在缺陷的植物是否仍然可以響應昆蟲噪音。對植物而言,它們可能不需要像耳朵那樣笨重的東西。

我們與植物共享的另一種能力是本體感覺:"第六感覺"使我們中的一些人能夠盲打鍵盤,玩雜耍,並且大概知道我們身體的各個部位在空間中的位置。

因為這種感知能力並不與動物的器官存在內在關聯,而是依賴於肌肉中的機械受體和大腦之間的反饋迴路,所以可以直接與植物比較。雖然分子層面的細節有些不同,但是植物也有機械受體,可以檢測其周圍環境的變化,並相應地作出反應。

"總體想法是一樣的,"2016年一份本體感覺研究評論的共同作者哈曼特說,"到目前為止,我們所知道的是,在植物中,更多的是與微管(細胞的結構組件)有關,它對拉伸和機械變形作出響應。

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Image caption 玩雜耍等技能的背後是本體感覺(圖片來源:KAKIMAGE2/Alamy)

事實上,2015年發表的一項研究似乎顯示出更深層的相似性,表明肌動蛋白(肌肉組織中的關鍵組成部分)在植物本體感覺中的作用。 "這一點的支持不太充分,"哈曼特說,"但有一些證據表明組織中的肌動蛋白纖維參與其中;幾乎像肌肉一樣。

這些發現不是唯一的。隨著植物感知研究的進展,研究人員已經開始發現重覆的規律,暗示植物與動物的深度對等。

2014年,瑞士洛桑大學(University of Lausanne)一個團隊的研究表明,當毛蟲攻擊擬南芥植物時,它會觸發了一波電活動。植物中電信號的存在不是一個新的想法,早在1874年,生理學家約翰·博頓-桑德森(John Burdon-Sanderson)就提出它是捕蠅草(Venus flytrap)的行動機制,但令人驚訝的是被稱為穀氨酸受體的分子發揮的作用。

穀氨酸是我們中樞神經系統中最重要的神經遞質,它在植物中起著完全相同的作用,除了一個關鍵的區別:植物沒有神經系統。

"分子生物學和基因組學告訴我們,植物和動物是由非常有限的一組分子"磚塊"組成,兩者非常相似,"位於捷克首都布拉格的查爾斯大學(Charles Universit)的研究員法蒂瑪•茨夫爾奇科娃(Fatima Cvrčková)說。電子通信以兩種不同的方式進化,每次使用一組"磚塊",這可以追溯到15億年前動物和植物分化之前。

"進化已經帶來一定數量的潛在溝通機制,雖然你可以通過不同的方式前進,但終點仍然是一樣的,"查莫維茲說。

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Image caption 擬南芥(Arabidopsis thaliana)使用電信號(圖片來源:Nigel Cattlin/Alamy)

人們認識到這種相似性的存在以及植物感知世界的能力可能比外表顯示出來的大的多,這就引起了一些關於"植物智能"的驚人觀點。甚至還由此產生了新的學科。植物中的電信號傳導是"植物神經生物學"(儘管植物中沒有神經元,但仍然使用了這一術語)這門學科誕生的關鍵因素之一。現在還有一些植物研究者正在調查傳統上不屬於植物的領域,比如記憶、學習和問題解決能力。

這種思維方式甚至導致瑞士的立法者制定了旨在保護"植物尊嚴"的政策指南,不管這種尊嚴意味著什麼。

雖然許多人認為"植物智力"和"植物神經生物學"這樣的術語是一種隱喻,但它們仍然遭到了許多批評,尤其是來自查莫維茲的批評。"我認為植物很聰明嗎?我認為植物很複雜,"他說。不過複雜性不應該與智力混為一談,他強調。

因此,儘管用擬人術語來描述植物有助於表達和傳達想法,但它也存在局限性。危險之處在於我們最終會把植物當成是動物的較低版本,而這就混淆了重點。

茨夫爾奇科娃說:"當向公眾展示植物研究的成果時,植物科學家樂於談論植物和動物在生活方式上的相似性和差異性。然而,她認為依賴於基於動物的隱喻來描述植物會引起問題。

"你應該避免[這樣的隱喻],除非你的興趣在於爭論當你吃胡蘿蔔時它能否感到疼痛(而這種辯論通常是徒勞的)。

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Image caption 我們不知道胡蘿蔔是否能感覺到疼痛(圖片來源:Chris Howes/Wild Places/Alamy)

植物能極好的適應它們需要做的事情。它們或許沒有神經系統、大腦和那些我們認為與複雜性相關的功能,但它們在其他領域表現優異。

例如,雖然植物沒有眼睛,但是像擬南芥這樣的植物擁有至少11種類型的受光體,而我們少的可憐,只有四種。這意味著,在某種程度上,它們的視覺比我們更加複雜。植物有不同的優先事項,而它們的感覺系統恰恰反映了這一點。正如查莫維茲在他的書中所指出的:"對植物來說,光不僅僅是一個信號;光也是食物。"

因此,雖然植物面臨許多與動物相同的挑戰,但它們的感官需要也一樣是由它們的特點決定的。"植物扎根在土地裏,它們不能移動的事實意味著實際上它們必須比你我更加了解自己所處的環境,"查莫維茲說。

要充分認識植物感知世界的方式,重要的一點是科學家和公眾要懂得欣賞植物本身。

"研究植物感知的危險在於,如果我們不斷地將植物與動物進行比較,我們可能會錯失植物的價值,"哈曼特說。

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Image caption 植物可能看起來一動不動,而且一聲不發,但實際並不如此(圖片來源:Cosmo Condina/Alamy)

"我希望植物被更多的人認為是驚人的、有趣的、有異國風情的生物,"茨夫爾奇科娃表示同意,"而不是作為人類營養和生物燃料的來源而已。這種態度將讓每個人受益。遺傳學、電生理學和轉座子的發現只是從植物研究開始而出現的研究領域的幾個例子,它們都被證明對於生物學整體產生了革命性影響。

相反,認識到我們與植物的共同點可能是一個機會,它讓我們接受這樣一種觀點:我們比想像中更像植物,正如植物比我們通常默認的更像動物。

"也許我們比想像中的自己更機械化,"查莫維茲作出結論。對他來說,這種相似性應該提醒我們,植物具有驚人的複雜性,以及擁有地球上所有生命的共性。

"然後我們就可以開始欣賞生物學的統一性了。"

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