植物的自我保護(hù)策略

李忠東

消除壓力 依靠“健忘”

像我們大多數(shù)人希望能夠忘記生活中緊張有壓力和不愉快的時(shí)刻一樣，植物或許也已經(jīng)進(jìn)化到了這樣的程度，用忘記壓力的本領(lǐng)面對(duì)極其難以預(yù)測(cè)的環(huán)境。

之前的研究表明，植物能編譯“長(zhǎng)期記憶”，用來(lái)存儲(chǔ)有關(guān)周邊環(huán)境的信息，并將其遺傳給后代。許多草類(lèi)和野草使用一種被稱(chēng)為表觀遺傳學(xué)的遺傳性記憶，將化學(xué)基團(tuán)附加在DNA上，以便開(kāi)關(guān)基因，幫助適應(yīng)干旱等困境。燕麥草是歐洲常見(jiàn)的一種多年生植物，似乎能夠記住干旱。和此前未經(jīng)歷過(guò)干旱的植物相比，它們能夠更好地抵抗陽(yáng)光照射造成的傷害。這樣的經(jīng)歷能幫助典型的植物產(chǎn)生必要的蛋白和化學(xué)物質(zhì)，以防壓力環(huán)境重新出現(xiàn)。植物能夠在代際之間保存這種記憶，有時(shí)會(huì)通過(guò)逐漸出現(xiàn)的后生機(jī)制，從而影響這些基因是否表達(dá)。

但是新的發(fā)現(xiàn)表明，植物不但具有“記憶”能力，而且“忘掉”的本事也不差。澳大利亞國(guó)立大學(xué)的植物學(xué)家彼得·克里斯普博士和同事一起從事植物記憶的研究工作，他們?cè)谒阉鲗?duì)類(lèi)似壓力事件的記憶案例之后注意到，植物的記憶通常是例外的，而且不是規(guī)則的。植物可能有幾個(gè)組織花費(fèi)很大能量編譯在某些時(shí)候并不需要的基因，因此在權(quán)衡利弊時(shí)對(duì)此前的經(jīng)歷產(chǎn)生記憶具有益處，但是同樣也有壞處。生長(zhǎng)在干旱地區(qū)的植物如果傳遞適應(yīng)干旱的記憶，生長(zhǎng)就會(huì)受到阻礙。例如，在干旱環(huán)境中生長(zhǎng)的辣蓼草在將其收到的環(huán)境壓力傳遞給種子后，會(huì)使它們的根部生長(zhǎng)緩慢。即使種植在不干旱的環(huán)境中，幼苗也往往較小。

“壓力記憶可能會(huì)不利于適應(yīng)環(huán)境，阻礙植物的恢復(fù)，影響它們的生長(zhǎng)和潛在的產(chǎn)量。”克里斯普博士指出，“對(duì)于植物來(lái)說(shuō)，在某些情況下學(xué)會(huì)忘記可能更為有利。因此，恢復(fù)處理過(guò)程需要在重新設(shè)置和記憶形成之間保持平衡。”

研究人員說(shuō)，植物必須采取平衡措施，以確保生存下去。總體來(lái)說(shuō)，植物似乎很“健忘”，有“忘記”記憶某些壓力事件的能力，即使在未來(lái)可能會(huì)阻礙它們的生長(zhǎng)發(fā)育。克里斯普博士解釋道，植物是否會(huì)保留記憶，取決于經(jīng)過(guò)環(huán)境壓力之后發(fā)生了什么。它們?cè)诖恕盎謴?fù)期”內(nèi)要么鞏固壓力反應(yīng)并在基因上有所表現(xiàn)，要么恢復(fù)到此前的狀態(tài)。如果要生成新的記憶，它們需要生成影響自己DNA的蛋白，從而決定其未來(lái)的表現(xiàn)。這種記憶形成需要滿足一種叫做RNA腐敗的過(guò)程。在細(xì)胞內(nèi)，雙鏈DNA在被轉(zhuǎn)譯成蛋白之前，會(huì)被轉(zhuǎn)變?yōu)閱捂淒NA。RNA腐敗能夠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)化成蛋白的RNA分子數(shù)量，并擾亂和壓力相關(guān)聯(lián)的RNA分子，從而阻止記憶形成。

“植物的‘健忘本領(lǐng)似乎比記憶本領(lǐng)更高，我非常贊同這種觀點(diǎn)。”德國(guó)波恩大學(xué)植物智慧與行為專(zhuān)家弗蘭蒂塞克·巴拉斯加表示，“但是植物也有‘短期記憶，這樣的記憶并不依賴(lài)于DNA和RNA。”

面對(duì)“攻擊” 釋放氣體

花瓶中的花香令人陶醉，剛剛割下的嫩草讓人神清氣爽。然而，科學(xué)家的研究發(fā)現(xiàn)，割草時(shí)聞到的香味是植物受到傷害時(shí)釋放出的化學(xué)物質(zhì)，用以干預(yù)動(dòng)物的攻擊并希望能保護(hù)自己。在知道了植物也可能會(huì)感覺(jué)到疼痛之后，我們的愉悅肯定會(huì)隨之大減。

德國(guó)波恩大學(xué)應(yīng)用物理研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)，植物在遭受“攻擊”時(shí)會(huì)釋放氣體，這其實(shí)是一種痛苦的“喊叫”。與此同時(shí)還會(huì)發(fā)射聲波，這不僅僅只存在于一種或是一類(lèi)植物中，包括黃瓜與大量觀賞花卉在內(nèi)的許多植物都能發(fā)射聲波。研究人員確定，雖然人耳無(wú)法聽(tīng)見(jiàn)，但是這些聲波也是植物的一種求生本能。植物利用各種各樣的化學(xué)物質(zhì)，釋放有毒化學(xué)攻擊，或是吸引益蟲(chóng)，以達(dá)到保護(hù)自己的目的。這種反應(yīng)在植物體內(nèi)根深蒂固，其實(shí)也是它們之間的一種溝通方式。

波恩大學(xué)科學(xué)家弗蘭克·朱利曼博士在證實(shí)植物語(yǔ)言存在的基礎(chǔ)上，研制出了能夠探聽(tīng)植物語(yǔ)言的激光驅(qū)動(dòng)麥克風(fēng)。首先將植物葉子或根莖切開(kāi)，整個(gè)切面會(huì)釋放出乙烯氣體，接著用鐘形玻璃容器收集這種氣體。氣體分子開(kāi)始轟擊標(biāo)準(zhǔn)激光束，然后產(chǎn)生振動(dòng)，形成麥克風(fēng)能夠探聽(tīng)到的聲波。他用激光驅(qū)動(dòng)麥克風(fēng)獲取了來(lái)自健康植物“冒泡”的聲音，但在受到穿刺威脅時(shí)上升為尖叫聲，甚至被小蟲(chóng)啃咬也會(huì)有所影響。

該項(xiàng)研究可以幫助科學(xué)家計(jì)算出哪些水果和蔬菜有可能會(huì)保鮮更長(zhǎng)的時(shí)間，如開(kāi)始變質(zhì)的黃瓜會(huì)發(fā)出一種刺耳的聒噪聲，可以將其從更新鮮的黃瓜中挑出來(lái)。“植物實(shí)際上并不會(huì)痛苦地尖叫，但在氣體排放時(shí)能聽(tīng)到不同的痛苦聲音信號(hào)。”朱利曼博士指出，“植物受到的壓力越大，麥克風(fēng)收到的聲音信號(hào)就越強(qiáng)。”

美國(guó)紐約州立大學(xué)植物生理學(xué)家伊恩·鮑德溫的研究證實(shí)，當(dāng)植物的葉子被昆蟲(chóng)咀嚼時(shí)，身上所發(fā)生的反應(yīng)與動(dòng)物抑制疼痛和創(chuàng)傷的反應(yīng)幾乎一樣。它們會(huì)釋放出一種激素，類(lèi)似于動(dòng)物受到傷害時(shí)釋放的內(nèi)啡呔。有趣的是，在植物組織表面噴灑阿司匹林或布洛芬之后，會(huì)像在動(dòng)物身上噴灑此類(lèi)藥物一樣能消除傷痛反應(yīng)。

發(fā)現(xiàn)敵情 堅(jiān)決自衛(wèi)

之前的研究表明，植物的生長(zhǎng)受到聲音能量的影響，它們會(huì)對(duì)音樂(lè)、風(fēng)和觸感等做出回應(yīng)。密蘇里大學(xué)的最新報(bào)告指出，研究人員在對(duì)這種行為進(jìn)行了聲音和化學(xué)分析之后，確定植物會(huì)對(duì)毛毛蟲(chóng)咀嚼植物時(shí)發(fā)出的聲音發(fā)出自衛(wèi)性反應(yīng)。

這項(xiàng)研究由海蒂·阿佩爾教授和雷克斯·科克羅夫特教授合作進(jìn)行，前者是密蘇里大學(xué)農(nóng)業(yè)、食品和自然資源學(xué)院和邦德生命科學(xué)中心植物科學(xué)部門(mén)的高級(jí)研究科學(xué)家，后者在密蘇里大學(xué)生物科學(xué)部門(mén)工作。他們把毛毛蟲(chóng)放在擬南芥上，這是一種與卷心菜和芥末相關(guān)的小型開(kāi)花植物。

兩位科學(xué)家利用激光和位于植物葉子上的反光材料，測(cè)量出葉子針對(duì)毛毛蟲(chóng)的咀嚼做出的運(yùn)動(dòng)。接著將毛毛蟲(chóng)進(jìn)食振動(dòng)的錄音播放給第一組植物“聽(tīng)”，而另一組植物則是靜音環(huán)境。隨后毛毛蟲(chóng)以這兩組植物為食，研究人員發(fā)現(xiàn)之前“聽(tīng)”到進(jìn)食振動(dòng)的第一組植物會(huì)產(chǎn)生更多芥末油，而對(duì)于很多毛毛蟲(chóng)來(lái)說(shuō)，芥末油是一種毫無(wú)吸引力的化學(xué)物質(zhì)。

“我們從事的研究是第一個(gè)展示植物如何對(duì)生態(tài)相關(guān)的振動(dòng)做出反應(yīng)的例子，我們發(fā)現(xiàn)進(jìn)食的振動(dòng)暗示著植物細(xì)胞新陳代謝的變化，創(chuàng)造了更多自衛(wèi)性化學(xué)物體以阻擋毛毛蟲(chóng)的進(jìn)攻。”阿佩爾教授指出，“不可思議的是植物常常暴露在不同的振動(dòng)之下，包括微風(fēng)或者不同的昆蟲(chóng)聲音，這些聲音擁有某些與毛毛蟲(chóng)進(jìn)食振動(dòng)相同的聲學(xué)特征，但它們卻不會(huì)導(dǎo)致植物產(chǎn)生自衛(wèi)反應(yīng)，增加化學(xué)防御。這暗示著植物能夠從周?chē)h(huán)境中其他的振動(dòng)來(lái)源中，區(qū)分出進(jìn)食振動(dòng)的形式。”

在談到未來(lái)的計(jì)劃時(shí)，兩位科學(xué)家表示下一步研究重點(diǎn)包括如下三個(gè)方面：一，植物是如何感知振動(dòng)的；二，這些復(fù)雜的振動(dòng)信號(hào)里哪些特征是重要的；三，機(jī)械振動(dòng)是如何與其他形式的植物信息相互作用以產(chǎn)生針對(duì)害蟲(chóng)的自衛(wèi)性反應(yīng)的。

“植物檢測(cè)昆蟲(chóng)進(jìn)攻的方式有很多種，但是進(jìn)食振動(dòng)可能是植物遙遠(yuǎn)部分感知攻擊并開(kāi)始增加防御的最快方式。針對(duì)這種化學(xué)物質(zhì)防御，毛毛蟲(chóng)的反應(yīng)是爬開(kāi)，因此利用振動(dòng)來(lái)提高植物的自衛(wèi)可能對(duì)農(nóng)業(yè)有所用處。”科克羅夫特教授強(qiáng)調(diào)，“這項(xiàng)研究也拓寬了研究植物行為的窗口，展示了植物針對(duì)外界影響擁有很多與動(dòng)物一樣的反應(yīng)，即使這些反應(yīng)看起來(lái)有所不同。”

一些研究人員認(rèn)為，植物之所以會(huì)對(duì)毛毛蟲(chóng)咀嚼它們的聲音做出回應(yīng)，在于可能聽(tīng)到自己被“吃”掉的聲音，這些緊急信號(hào)的存在能證明植物也擁有痛覺(jué)。但另一些人卻懷疑，由于植物沒(méi)有大腦或是神經(jīng)系統(tǒng)，因此不可能擁有痛覺(jué)。

還有的科學(xué)家認(rèn)為，植物是通過(guò)一種能量進(jìn)行相互交流的。這種能量是微弱的光，可以被測(cè)量出來(lái)。研究人員甚至設(shè)想，通過(guò)“剩余能量放大器”使這種光轉(zhuǎn)變成可以看得見(jiàn)的光。不管是通過(guò)高頻聲音還是通過(guò)光，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和科學(xué)研究的不斷深入，科學(xué)家們最終一定會(huì)破譯植物的語(yǔ)言之謎。