植物王國並不沈默 煙草和番茄面對威脅會『尖叫』

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來源: 科技日報 作者:趙漢斌 編輯:付勇鈞 2020-01-13 11:06:35

內容提要:自達爾文時代起,人們在植物對外界感知應變能力方面的研究可謂車載斗量,也認識到植物雖不能移動,但也絕不是呆頭呆腦。然而,此前的研究多停留在感知以及有機化合物、光電信號的傳遞上,對植物通過聲波傳遞信息的研究還罕有報道,人們普遍認為植物王國幾乎是沈默的。

自達爾文時代起,人們在植物對外界感知應變能力方面的研究可謂車載斗量,也認識到植物雖不能移動,但也絕不是呆頭呆腦。然而,此前的研究多停留在感知以及有機化合物、光電信號的傳遞上,對植物通過聲波傳遞信息的研究還罕有報道,人們普遍認為植物王國幾乎是沈默的。

然而最近,以色列特拉維夫大學的艾·卡伊特和歐文·萊溫·愛潑斯坦等人所做的一項研究,首次證明了植物在壓力下會發出可遠程檢測且信息量豐富的聲音,這一發現或將改變人們對“沈默”的植物王國的傳統認知。

此前並未探測到植物發出聲波

聲音本質上是一種波,通過空氣傳播,傳到人耳朵裡引發鼓膜的振動。聲音的大小,實際就是對這種振動強度的反映。人類的耳朵可以聽到的最低頻率約20赫茲,最高頻率約2萬赫茲,這是常見的、較公認的理論值,超過這個范圍,就只能借助一些工具了。而一些動物,如狗和貓就能聽到人類聽不到的很細微的聲音。

此前大量研究表明,當植物暴露在乾旱或有害昆蟲、草食動物威脅中時,會表現出表型的改變,比如顏色、氣味和形狀的變化。它們所散發的揮發性有機化合物(VOCs)也會影響鄰近的植物,導致這些植物抗性增強。總的來說,人們已證明植物能產生視覺、化學與觸覺信號,而其他植物和動物有時也能對這些信號做出反應。然而,植物在受到脅迫壓力下會發出聲音的情況還沒有得到充分研究。

面對不同壓力植物“叫聲”也不同

長期從事植物科學和糧食安全研究的艾·卡伊特和歐文·萊溫·愛潑斯坦等人,把番茄和煙草兩種植物都安置在一個隔聲的消聲箱中,在離植物10厘米的地方放置了可接收20到100千赫范圍內超聲波的特殊麥克風,並錄制番茄和煙草在乾旱、切葉、割莖以及灌溉等不同實驗條件下的聲音。結果發現,植物在乾旱脅迫和被砍切、侵害的情況下發出的聲音,明顯多於正常對照組的植物。灌溉時植物發出的聲音很少,接下來的4至6天中,隨著乾旱程度增加,每天的聲音數量增加,然後隨著植物萎凋、乾枯而逐漸減少。

研究人員發現,面對不同的壓力源,這些植物會發出不同強度的聲音。

當煙草植株被榨乾水分時,發出的聲音比被切斷莖乾時更大。另外,在沒有直接的環境威脅或損害的情況下,植株也會發出超聲波,但比較少。

根據實驗結果,切斷植株的莖乾時,番茄會在一小時內發出25次超聲波“求救”聲響,煙草則會發出15次可能象征“痛苦”的聲響。而被榨乾水分時,番茄發出的聲響次數更多,一小時達35次,而煙草會發出11次聲音。

研究項目還首次報告了在20至100千赫超聲波范圍內的植物聲音,可被3至5米距離內的老鼠、飛蛾等聽覺敏銳的動物感受到。

一些生物可以聽到植物的聲音並做出反應

這項研究目前發表在生物預印本網站bioRxiv上,雖然尚未發表於期刊並得到同行的審閱和認證,不過研究者認為,研究將促進人類對全世界植物演化和生態學的科學理解。

在一項初步研究中,他們還成功地記錄了來自刺五加和鳳仙花等不同類群植物的聲音。因此他們預計許多植物都有發出聲音的能力,但這些聲音的確切特征以及群體之間的相似性尚待確定。未來的研究可探究不同狀態下植物發出的聲音,包括疾病、寒冷、食草動物攻擊或極端紫外線輻射等其他脅迫,以及開花、結果等各個生命階段。一旦構建了一個大型植物聲音庫,就可以通過現代工具對其進行分析,以獲得更多的認知。

艾·卡伊特等人還提示,植物聲音產生的機制可能是氣穴作用,即氣泡在木質部形成和爆炸的過程。不管其產生機制如何,這些聲音都攜帶著信息,並且可以被其他生物體探測到。

“研究已經證明了機器學習算法可以有效地對植物聲音進行分類。因此,其他有機體可能也進化出了對這些聲音進行分類並對其做出反應的能力。”艾·卡伊特等人舉例說,西紅柿和煙草是飛蛾幼蟲的寄主,飛蛾能夠聽到實驗記錄的頻率和強度的超聲波並做出反應,這些蛾子會避免在發出壓力聲音的植物上產卵。

他們假設,另一些捕食者可能也會利用植物的狀態信息為自己謀利,例如,如果植物對毛蟲的攻擊發出聲音,蝙蝠等捕食者可以利用這些聲音來探測被攻擊的植物並捕食毛蟲,從而幫助植物;而附近的植物可能也會聽到其他植物受乾旱脅迫或受傷的信息,並作出減少蒸發等相應反應。

或許,未來經過深入研究,一種植物信號傳導的新途徑或將大白於天下,到那時,人與植物實現“對話”或將不是夢。

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