科学首页 > 动物世界 > 新闻列表 > 正文

揭秘植物间"交流私语" 电信号传递如"窃听风云"

http://www.kexue.com 2014-03-08 00:36:05 自然与科学杂志  发表评论


德国马克斯普朗克研究所的生态学家伊恩·鲍德温认为,我们应该从植物的角度思考,而非将它们拟人化

  尽管植物没有处理信号的神经中枢,但是它们仍旧能够传送、接收并分析信号。最近,科学家揭示这种信号处理与动物神经细胞处理信号机制非常类似。植物是如何做到的呢?

  美国内华达山脉北部地区,长满了一种叫山艾的植物,它们在这里的斜坡上彼此交流,但没有人知道它们在说什么。加州大学戴维斯分校的生态学家理查德-卡尔班(Richard Karban)试图在这里学习它们的语言,揭开山艾交流的秘密。然而,令人费解的是,这些植物并没有处理交流信号的神经中枢。它们是如何传送、接收以及分析信号的?

  事实上,研究者发现植物能够彼此交流也只不过数十载,然而在短暂的时间里,突破性的研究成果就屡屡出现。1983年,两项研究报告共同指出:当昆虫来袭时,柳树、杨树和糖枫之间可彼此通告对方,例如,当一棵树上爬满饥饿的虫子时,临近的树木就会释放出防虫化学物质以避免毛虫攻击。

  最早关于植物间交流的几篇论文,因为实验植物是人工种植等缺陷,被其他学者指责没有真实反映现实世界中植物同昆虫之间的竞争,因而迅速地被舆论淹没掉了。之后该领域的研究几近停滞。但是,如今该领域的研究又重新受到重视,研究人员严格控制实验变量,改进了早前被认为不严谨的研究方法。根据卡尔班的最新统计,在过去48项有关植物间交流的研究中,有40项已确认植物能够识别彼此的信号,并能提高它们自身的防御能力。墨西哥生态学家马丁-埃尔(Martin Heil)说:“植物在受到植食性动物破坏时释放的挥发物质已被检测出来,并且有证据显示,植物能够精确地接受这些化学信号,且能够很好地启动应答机制。”

  尽管植物间交流的研究仍属于一个很窄的研究领域,但至少目前人们不再将从事这项研究的人视为“极端分子”。“而在过去,人们甚至都不会跟你交流,他们会说,‘为什么你要浪费我的时间谈这些没用的东西?’”卡尔班说,“现在情况好多了。”人们不再争论植物是否能够接收化学信号,而是讨论它们为什么这样交流以及是怎样做到的。有关植物间交流的大多数实验是在实验室受控的环境下完成的,那么在野外它们是如何处理交流信号的呢?另外一个有趣的问题是,植物分享信息的行为是怎样的?科学家们正在探究这些问题。

  就在几个月前,洛桑大学植物信号研究先锋泰德-法默(Ted Farmer)就发现了一个之前从未揭示的植物信息传导方式——电脉冲或电压信号传输,这同动物的神经信号传输非常类似。“植物的这些行为真不可思议,”法默说,“对它们研究得越深,我越感到惊讶。”事实上,法默的研究并不意味着植物有神经元、大脑或任何类似动物交流的神经系统,当然更不能把它们当成外星生物来看。法默说,这只能证明我们以前大大低估了植物的交流能力。当研究人员开始学习植物交流的“语言”时,他们将会对这个绿色世界有一个全新的认识。

  植物交流的秘密

  起初,卡尔班专注于十七年蝉的研究,分析树木是如何应对它们每17年制造的一次麻烦的。当时,外界认为植物是靠自身抗旱以及抗病虫害的生理适应机制生存下来的。但在上世纪80年代初,华盛顿大学的动物学家大卫-罗迪斯(David Rhoades)发现了植物积极抵御昆虫的证据:植物能合成化学物质,使得叶子既不可口,又缺乏营养,这样会促使饥饿的虫子另寻他处。卡尔班对这个结论感到很兴奋,因为它传递了一个信息,说明植物能积极防御虫害而不是被动忍受。

  罗迪斯接下来的发现则更令人惊奇。他研究了锡特卡(Sitka)柳树在遇到天幕毛虫和白蛾侵扰时,叶片如何改变营养成分。在实验室里,当他用被毛虫侵袭过的叶片喂养毛虫时,发现毛虫生长缓慢;用遭受虫害树木附近的其他树叶喂养毛虫,它们仍表现出生长迟缓。这两组树木的叶片显然发生了相似的生化反应。于是罗迪斯在1983年得出了如下结论:没有遭受虫害的柳树从那些正在遭受虫害的柳树身上获取了相同的信号。同年,德国马克斯普朗克研究所的生态学家伊恩-鲍德温(Ian Baldwin)和达特茅斯大学的植物学家杰克-舒尔茨(Jack Schultz)发现,把杨树和糖枫的幼苗放在被撕碎树叶的树苗边上,它们会释放出抗植食性昆虫取食的酚类物质。他们将这种现象称为植物间的交流。“普通民众对这项研究成果很兴奋,”卡尔班说,“大众媒体也进行了大量的报道。”

  然而,民众的过度反应反倒让科学家感到了不安。1979年,纪录片《植物私生活》 (与1973年出版的书同名)通过慢镜头,给观众展示了植物充满活力的一面:叶片缓缓张开,根系向四方不断伸展。纪录片还称,科学家已证实植物有意识并且可感知人类的情感。“此番言论一出,民众就认为这方面的研究有些故弄玄虚。” 法默说。

  1984年,著名生态学家约翰-劳顿(John Lawton)批评了有关植物交流方面的研究工作。他称,鲍德温的研究实验设计不佳,罗迪斯有关于昆虫增长放缓的结论会涣散人们防虫的决心,从而可能会招致虫害四处蔓延。劳顿的批评让这个领域的研究几近中止。罗迪斯,这位被卡尔班称为该领域“未被承认的先驱”的研究者,因此无法得到基金来继续他的研究工作,他甚至整日为衣食四处奔波。人们不再谈论植物交流,这个领域的研究前景黯淡无光。

  植物交流的空中信号

  然而,劳顿的批评并未让所有人意志动摇,法默以及后来的华盛顿州立大学的植物激素专家克拉伦斯-瑞恩(Clarence Ryan)都是重启植物间交流的学者。起初,法默和瑞恩研究当地的一种植物——山艾,它们能产生大量的茉莉酮酸甲酯,在瑞恩看来,这是一种可通过空气传播,帮助其他植物用来抵御植食性昆虫的有机物。在他们的实验中,当受伤的山艾叶片同番茄一起放在密封的瓶子时,番茄就开始生产蛋白酶抑制剂——一种可以扰乱昆虫消化功能的化合物,植物间的合作因而被证实的确存在。

  卡尔班称,这些研究“操作严谨,结论能被其他的研究者证实,令人信服”。不过他仍有疑虑:野生植物是否有同样的现象?实验室的环境条件是否是诱使它们产生这种现象的原因?于是,卡尔班在加州北部一个山艾和野生烟草生长繁茂的野外工作站继续这项研究。他在野外重复着法默的实验,用剪刀剪山艾,模仿昆虫的利齿对植物造成损伤的假象,从而诱导植物产生茉莉酮酸甲酯和其他化学物质。结果,受损伤山艾附近的野生烟草预期地产生了防御性酶——多酚氧化酶;在生长季结束后,这些烟草植物叶片受到蚱蜢和地老虎的损伤要比其他植物小得多。

  在接下来的十年里,证据变得更加充足了。事实证明,几乎所有的绿色植物都会释放化学物质,物种间能够识别出化学信号并做出相应的反应。例如,割草的气味中混合了醇、醛、酮和酯等化学成分,这种气味或许令我们感到愉快,但对植物来说,它们是危险来临的信号。埃尔发现当野生青豆暴露在被昆虫啃食的利马豆附近时,它们会成长得更快,抵御能力更强。植物使用的化学信号似乎是彼此通用的:山艾能诱使烟草产生化学物质,同时辣椒和利马豆也会促使黄瓜释放化学信号。

  植物也可以与昆虫进行交流,它们会向捕食性昆虫释放求救信号,从而促使这些昆虫来猎杀植食性昆虫。例如,当玉米遭到甜菜黏虫侵袭时,会释放吸引黄蜂的化学物质,从而招引黄蜂过来在毛毛虫体内产卵。植物、植食性昆虫、捕食性昆虫生活在一个芳香四溢而又充满化学信息的世界里,拼凑成一张让我们难以想象的网络。事实上,蚂蚁、微生物、飞蛾甚至蜂鸟和龟(法默已证实过)都能检测出这些化学物质,并能做出相应的反应。

  植物间的窃听风云

  虽然越来越多的证据表明植物能够彼此交流,但仍有许多植物学家质疑这种交流是否具有生物学意义。“植物间通过化学物质进行交流在实验室已被证实,但目前还没有人在野外证实过它的工作原理。” 法默说。尽管他是该领域第一个证实植物有交流能力的学者,但同时他也戏称自己是一个“怀疑论者”。他认为没有足够的证据表明这种交流在植物的生活史中扮演重要作用。“但我不希望就此停止这方面的研究,”他补充道,“我认为这项研究是很有前途并且令人振奋的。”

  对于卡尔班和埃尔来说,进化的问题更具有挑战性:为什么植物将能量浪费在帮助自己竞争对手感知危险来临?他们甚至认为用“植物间交流”(plant communication)来形容植物的信息传递并不恰当,或许用“窃听”更为恰当些。因为植物传递信息不是用它们的维管系统,而是用更快、更有效的释放化学物质的方式来传播的。化学物质不只对它们自身起作用,其他植物也可接受这种化学信号。

  息分享不仅发生在植物间,还可表现在植物和昆虫间。信息分享能提高田间植物的敏感度和防御能力。就像煤矿里的金丝雀对瓦斯十分敏感一样,这些“哨兵”将第一个察觉并应对危险,从而提醒周边的农作物。另外,植物可利用与捕食性昆虫之间的交流来提高自身的抗虫能力,从而减少对杀虫剂的需求。不过,2011年的一份报告显示,商业种植的杂交玉米似乎已经失去了释放化学物质来吸引寄生黄蜂,从而杀死蔗螟蛾的能力。

  植物间交流的研究,将挑战人们把交流视为动物的专利的传统观念。德国马克斯普朗克研究所的鲍德温说,在了解了植物的能力之后,我们最好不要再将它们拟人化,而应该试着像它们一样去思考。只有这样才能知道它们为什么交流以及怎样交流,从而彻底揭开它们“私生活”的秘密。

  植物受到入侵时会发出电信号

  树叶是如何知道它正在被昆虫啃食的?树叶又是如何通知其他植物,让它们释放化学防御信号的呢?为了证明电信号的存在,法默的研究团队将微电极插入拟南芥中(植物生理学家的一种模型生物),并允许埃及棉铃虫大快朵颐地吃下拟南芥。几秒钟内,拟南芥体内的电压就发生变化,并且这种电信号会从被破坏的组织辐射到茎或更远的组织中。随着被破坏植物组织电压的积累,化学防御的复合茉莉酸也不断积聚,甚至在非伤害区也开始产生这种物质。这个过程中,负责信号传导的基因参与了位于植物细胞壁内膜电信号的传输。植物的这种信号通路与动物调节身体的信号调节非常相似,正如法默所说:“动物和植物有很多有趣的相似之处,这远大于它们的不同之处。”

  相关阅读
  植物安装仿生器 "人造树叶"或解决地球供氧难题
  植物人仍可识别熟悉面孔 放弃维持性质堪比谋杀
  被子植物曾突然改朝换代 科学家欲揭"恼人之谜"
  走近神奇植物性替代品 绿色素食制出浓香蛋黄酱
  追溯被子植物演变史 恐龙早期时代地面已有鲜花
 

网友评论以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点 已有条评论