植物懂交流，有记忆，还会数数？

倾听植物的声音。图片来源：freshmania

编者按：

植物不会说话，没有感知？你要是这么想就落伍了。科学家们发现，植物可以通过化学信号叽叽喳喳，它们还有学习能力，数数的技能，而有的植物对某件事的记忆力可以长达一个月！植物，没那么简单。

 文 | 马子颂 （德国马普研究所生物学博士）

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“如果有来生，要做一棵树，站成永恒，没有悲欢的姿势。”三毛这首影响过无数文艺青年诗篇，骨子里流露出对树的那么一丝“偏见”。树真的只会一动不动地屹立在远方的地平线上或是拥挤在潮湿的雨林里，不谙世事地了此一生了么？事实上，科学家已经发现，植物懂交流，有记忆，甚至还会数数。这些能力，在动物身上，被称为认知能力。

爱丽丝梦游仙境时，曾遇到过一只抽着水烟的蓝色毛毛虫，抽烟抽得满脸写着享受，想必是烟草天蛾的后代了。尼古丁对昆虫来说是种剧毒，以啃食烟草为生的烟草天蛾幼虫却生来就对尼古丁免疫。

烟草受到昆虫袭击时，会分泌尼古丁来御敌。但如果对方是烟草天蛾幼虫，事情就是另一个逻辑了。烟草并不笨，根据唾液成分便能判断出烟草天蛾幼虫的身份，知道分泌再多的尼古丁也无济于事，何必再负隅顽抗耗费能量呢！从种群水平来讲，烟草天蛾幼虫的存在也不全是坏事，至少这些成虫们会辛勤地给烟草授粉。面对威胁，烟草还有另一套备用的防御系统：叶子破损之后分泌出来的化学物质能够吸引捕食螨来吃掉侵略者。这是三营养级关系的一个典型例子。

烟草的例子给了我们很多启示。植物是如何判断谁在啃食他们的叶子的？如何记住这些威胁并加以应对的？又是如何向第三方寻求帮助的？随着人们对植物化学信号传递有了深入的了解后，这些问题也有了答案。

图1：烟草天蛾幼虫对尼古丁有抗性。一旦遇到，心知肚明的烟草并不会加速制造尼古丁。（图片来自：British Entomology Volume 5, John Curtis）

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植物化学信号交流

植物既不会开口说话，也听不见热情园丁对它们的评头论足。但在过去30年中，人们陆续发现植物可以通过化学信号彼此交流。1983年，美国西雅图华盛顿大学的David Rhoades发现，当一棵柳树被昆虫袭击，其他邻近的柳树会就进入一种积极防御模式。他推测，遇袭柳树散播到空气中的信号分子起到了预警的作用。这个假设同年被研究杨树的科学家也证实了。David Rhoades被称为是植物交流领域“未被承认的先驱”。据传，当时他的这些想法所招致的质疑声，使他被迫放弃了科研这条道路。

加州大学戴维斯分校的生态学家Richard Karban和同事最近发布了一份关于山艾树特有挥发物的详细研究结果。他们发现，植物预警信号的化学型存在着特征和遗传差异，相同或相近化学型预警信号可以带来更有效的保护。

除了释放化学信号来保护同类，植物还会用化学信号来欺骗昆虫。通过性欺骗来诱使昆虫授粉的例子比比皆是。各大洲的兰花不约而同地进化出了通过模拟雌性昆虫费洛蒙来吸引雄性昆虫的技能。雄性昆虫“性”致勃勃地来给花儿授粉，完事儿了才感觉好像哪里有点不对。以铁锤兰为例，用来欺骗授粉者的信号分子是烷基吡嗪和羟甲基吡嗪。同时，它的花也凹成了嘴唇的造型，模仿雌性黄蜂的外形。

马兜铃属中的一些花闻起来有股腐烂肉体的恶臭，而能被这种恶臭所吸引的，放眼望去也只有苍蝇了。以圆叶马兜铃为例，它挥发出来的味道人类的鼻子是察觉不到的，但对苍蝇有着特殊的吸引力。这些苍蝇平时以昆虫尸体的分泌物为食。圆叶马兜铃就是通过模拟这种分泌物的臭味来吸引这些苍蝇的。

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根与地下世界

植物交流除了通过空气中的化学信号，还有一种我们平时看不见的渠道，那就是深埋于地表下的植物根系。它是植物与环境之间重要的交流通道。德国科学家Lorenz Hiltner第一个认识到根系附近环境的重要性，他在1904年提出了“根际”的概念。一个多世纪过去了，现如今成为了植物学中最热门的领域之一。

图2：根际环境高度复杂。植物既可以通过根来和植物交流，也可以跟其他物种交流。（图片来自：Nerys Hamutal Groß）

地下世界里，植物与各个物种也频繁地交流着。近年来，宏基因组学（又称微生物环境基因组学）的研究使得研究人员可以从基因组水平上认识根际微生物。这些微生物的存在对植物的生长起着重要的作用。植物通过代谢来为根际微生物提供物质保障。作为回报，这些微生物也会提供形形色色的服务来帮助植物生长。科学家试图用经济学原理去分析和解释这种“地下交易”模式。

对根际交流所涉及的化合物进行分析，可以发现小到像拟南芥这样的植物都能向土壤中释放100多种化合物。

植物可以通过缠绕的根网来和邻居交流，还通过根来哺育后代，或是维持树桩的生命。当受到威胁时，比如干旱或者病害，植物可以通过根来交换信息。

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记忆与数数

交流也许是植物最重要的信息处理功能，但绝对不是唯一的。佛罗伦萨大学的Stefano Mancuso将可怜的含羞草反复地往地上摔。被摔过60次之后的含羞草竟也“麻木”了，再摔叶子也不会收缩了。这个记忆甚至可以保留长达1个月的时间。同时，它对其他形式的“惊扰”依然保持敏感，例如触碰或者摇晃。这说明，植物可以记住某类事件，甚至还学会了去忽略。另有研究人员用研究动物行为的方法来分析植物的记忆，发现在光照不足的环境下，植物的学习和记忆能力会提高很多。这一点跟我们考试前争分夺秒抱佛脚的状态很是雷同啊。

维纳斯捕蝇草绝对是植物界的智慧女神雅典娜，因为它竟然会数数。在维纳斯捕蝇草捕虫夹的内表面上，分布着好几根刚毛。在刚毛被碰触时，捕蝇草就开始计数了。捕蝇草会根据收到刺激信号来做出反应。当刚毛被碰到1次时，捕蝇草也会思考这是不是伪信号，所以并不会急着做出反应。在15-20秒内，当刚毛被碰到第二次后，捕蝇草就会立即行动，瞬间关上捕虫夹。在关闭捕虫夹后，猎物挣扎时触碰刚毛次数越多，捕蝇草就会分泌越多的酸液和消化酶，直至猎物被完全消化。这种反应方式可以使植物不会因为错误的信号而浪费能量。

图3：会数数的捕蝇草在感知到5次触碰后开始消化“猎物”。（图片来自：Laura Dottori）

究竟是“桃李无言”还是“落花有意”，植物到底有无意识和情感，目前还无法给出确定的答案，但肯定的是，植物没我们想象的那么简单。现在的你，了解了吗？相信有更多的观察与研究，我们也可以拥有所罗门王的指环，无障碍了解植物们的对话啦！

参考文献：

1. Michael Gross. “Could plants have cognitive abilities?”. Current Biology (2016) 26, R181–R191.

2. Richard Karban, et al. “Deciphering the language of plant communication: volatile chemotypes of sagebrush”. New Phytologist (2014) 204, 380–385.

3. Gijsbert D. A. Werner, et al. “Evolution of microbial markets”. Proceedings of the National Academy of Sciences (2014) 111, 1237–1244.
   

4. Björn Bohman, et al. “Discovery of pyrazines as pollinator sex pheromones and orchid semiochemicals: implications for the evolution of sexual deception”. New Phytologist (2014) 203, 939–952.
   

5. Birgit Oelschlägel, et al. “The betrayed thief – the extraordinary strategy of Aristolochia rotunda to deceive its pollinators”. New Phytologist (2015) 206, 342–353.

6. Monica Gagliano, et al. “Experience teaches plants to learn faster and forget slower in environments where it matters”. Oecologia (2014) 175, 63–72.

7. Jennifer Böhm, et al. “The Venus Flytrap Dionaea muscipula Counts Prey-Induced Action Potentials to Induce Sodium Uptake”. Current Biology (2016) 26, 286–295

（责任编辑 陈晓雪）

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