一场民科与专业科学家的较量

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植物也有视觉吗？

撰文 | 小叶
在南美智利的热带雨林中，生活着一种天赋异禀的藤蔓，叫做避役藤（Boquila trifoliolata）。它们攀缘着树木或其他植物而生长，时间久了，叶片也会长变，“跟谁就像谁”。甚至，它们还会模仿相隔一定距离、并无接触的其他植物叶片，“看上了就变成它”。
图1. 自然界中的避役藤丨来源：https://powo.science.kew.org/taxon/urn:lsid:ipni.org:names:107230-1/images
01早在19世纪，就有博物学家发现并描述了避役藤叶片的神奇功能。在植物学界，这种能力被称作“拟态”（mimicry）。可避役藤究竟是怎么做到的，科学家始终未能解释清楚具体的机制。智利拉塞雷纳大学（University of La Serena）的植物生态学家Ernesto Gianoli对避役藤的研究断断续续近十几年，是该领域的重要学者。
2010年，在一次野外调查中，Gianoli意外发现避役藤叶片能够模仿20多种植物叶片的尺寸、形状和色彩。2014年，他在《当代生物学》（Current Biology）期刊上发表论文^[1]，推测避役藤叶片拟态能力有两种可能的机制：
第一种是“挥发性化学物质传播”。先前已有研究证明，挥发性有机化合物会诱发邻近植物作出特定反应^{[2, 3]}，例如生成次级代谢产物、植物转录组变化等。Gianoli团队由此假设，“原型叶片”中的某些挥发性化学物质通过空气传播到避役藤叶片上，影响后者基因表达，进而产生表型变化。
第二种是“植物间基因水平转移”。即，通过空气中的传播媒介（微生物）、植物间寄生或者自然嫁接，将“原型叶片”的基因或者表观遗传因子传递给避役藤，影响其性状表现。提出第二种假说是因为，虽然避役藤攀援寄主树干，但其叶片模仿的对象不仅限于寄主叶片，还包括距离自身最近的其他植物叶片。然而，Gianoli并没有展开后续实验来验证他所提出的假说^[4]。
到了2021年，Gianoli团队在避役藤叶片拟态机制方面的研究又有了新进展。11月，他们在《科学报告》（Scientific Reports）上发表文章称^[5]，利用基因测序技术，发现避役藤拟态叶片和“原型树叶”之间存在相似的微生物组群，这暗示了微生物可能参与拟态行为，但仍需进一步的实验来验证这个推论。
就在这时，一位民间科学家（civil scientist）出手。他为避役藤的拟态行为提出了一个简单到难以置信的理由：
说不定避役藤能看到别的叶子长啥样呢？
02来自美国犹他州的Jacob White没有任何科研学术背景，也没接受过科研训练，但对科学和植物满腔热情，喜爱阅读科普书籍和科研论文。有一次，他读到两篇论文，分别描述了两种藻类特殊的感光结构。第一篇文章^[6]认为，单细胞莱茵衣藻（Chlamydomonas algae）的趋光行为（phototactic behavior）依赖于其眼点结构（eyespot apparatus）内的光受体；第二篇文章^[7]则介绍了蓝藻菌（cyanobacteria）集胞藻属（Synechocystis）细胞发挥了类似球状微型透镜（spherical microlenses）——也就是晶状体——的作用，让细胞“看到”光源，从而向着光源移动。这两篇文章内容都将藻类和“眼睛状”结构联系起来，White由此萌发联想：有没有可能其他植物也有类似的基本视觉呢？
此时，波恩大学（University of Bonn）的植物生理学家 František Baluška 和佛罗伦萨大学（University of Florence）的植物神经生物学家Stefano Mancuso共同合作的短篇综述提出了与White不谋而合的观点^[8]：植物可能拥有眼睛状结构，提供某种形式的视觉。

图2. Baluška与Mancuso合著的综述，提出植物因为特有的单眼结构而具有视觉功能，来源：10.1016/j.tplants.2016.07.008

在掏出40美元购买全文并阅读后，White对“植物视觉”假说有了更多了解。原来，早在1905年，植物学家Gottlieb Haberlandt就已经假定植物叶片内的上表皮细胞可以发挥“简易版眼睛”的功能，类似于昆虫的单眼（ocelli）。在综述中，作者提及了避役藤的无接触拟态能力，推测可能是因为藤蔓“看到了”邻居的“长相”。这篇文章进一步激发了White的好奇心，他开始在网上搜索一切关于“植物视觉”的研究，尤其是关于避役藤的。
可惜，学界内的专业科学家对这个假说似乎兴致缺缺，也没有人展开严谨的实验。目前对避役藤拟态的主流看法基本就是前文Gianoli提出的植物间化学物质传递和微生物组群。视觉假说虽然惊世骇俗，但并没有引起重视，更不用提广泛研究了。
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Jacob White决定自己动手做实验。
想要通过实验证明避役藤有视觉，White认为，先要排除植物间化学物质传递的可能性。思考许久，他灵机一动：既然避役藤看到什么叶子就能模仿什么叶子，那用人造的假植物代替真植物与避役藤接触，既可以“欺骗”避役藤的“眼睛”，同时也可避免（生物）化学物质传递的问题。
他随即购买了一株避役藤，让它缠绕在另一株仿真植物上，观察它的长势。果然，避役藤在生长过程中也会尝试模拟人造叶片的形态！White相当兴奋，立刻拍下照片，发送给综述作者之一，波恩大学的Baluška教授。令他意外的是， Baluška竟然回复了他，并建议他更换一下模仿对象，找个更接近于智利当地植物的仿真植物，White照做了，结果发现避役藤照样能模拟出新的人造叶片的形态。
取得了初步观察成果之后，White希望 Baluška教授能够接手展开更严谨的科学实验，他怕自己只是一个没有任何科研资历的外行，会被专业人士批评为“民科”。他又买了四株避役藤，打算想办法弄到德国送给Baluška教授，没想到教授竟然鼓励他继续独立实验，还给出了指导意见。
说干就干。White开始设计更复杂一点的实验。可是一开始实验设置就出现了麻烦：既然是科学研究，就要安排实验组和对照组，无奈White家里空间有限，最终只能让避役藤自为对照组（和原来的自己相对照）。具体的实验设计如图3所示：四盆避役藤并排放在窗边，置于两根横架下方，一开始，藤蔓独立生长，不攀附任何仿真植物，当长势超过第一根横架之后，让藤蔓缠上仿真植物，继续生长。这样一来，以第一根横架为界限，White就能比较横架上下方避役藤叶片的情况。
图3. Jacob White的实验设计^[9]

图4. Jacob White家中做实验的四株避役藤。丨来源：https://www.youtube.com/watch?v=cfB0DwquYHg&t=3s

四株避役藤展现了神奇的模仿能力。第一年，藤蔓接触到人造植物的部分，叶片明显不同于横架下叶片，但模仿效果不太好。第二年，藤蔓抽出更多嫩芽，新长出的叶片变得更像人造叶片，只是更小一些。随着时间的流逝，避役藤的新叶子长得越来越像人造叶片。White将整个过程以照片和视频的形式记录下来，通通发送给Baluška。教授回复，一不做二不休，干脆发个论文！于是，White把整个研究过程写成一篇文章，投给《植物信号和行为》（ Plant Signaling and Behavior）期刊——主编正好就是František Baluška 。
Baluška将文章初稿发送给九位同行评审，其中七人给出了反馈。评审意见褒贬不一，有人立刻反驳，也有人表示赞扬并提出一些打破陈规的问题。但所有人都认为，论文还需要提供更加坚实的数据。于是Baluška建议让自己实验室的一名研究生Felipe Yamashita协助White一起展开形态学分析。Yamashita过去没有研究过避役藤，不过他的课题主要是植物智能（plant intelligence），那么植物视觉正好也属于这个范围。于是White将避役藤的叶片寄送给Yamashita进行测量和检验。

图5. 未发生拟态的避役藤叶片(A) 与发生拟态的叶片(B) 。红色箭头指示未闭合的细叶脉。^[9]

形态学分析显示，横架上方看起来发生了拟态的叶片与下方的原生叶片确实有不同，而且靠近藤曼顶部最年轻的叶片与底部最年长的叶片也差异显著。具体来说，顶部叶片的细叶脉（veinlet）更倾向于与其他叶脉连接起来，而底部叶片叶脉的一头往往是开放的。这是激素水平差异的表现：激素参与叶脉图的形成过程，随着藤蔓的生长，细叶脉开放端减少，说明拟态叶片和没有任何拟态叶片中存在不同水平的激素。最终White和Yamashita俩人一起重新修改了论文，最终被期刊接收，于2021年9月发表^[9]。
图6. White与Yamashita合作的论文^[9]
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这篇由民间科学家White和植物学研究生Yamashita联合发表的论文引发了意想不到的轰动反响。国际生物医学领域的重要学术论文评估机构Faculty Opinions（原F1000Prime）将其选入推荐论文^[10]，类别为“新发现”（new finding），评级为“卓越”（Exceptional，最高评级），专家褒奖说它“有助于促进植物感光能力研究的蓬勃发展”。除此之外，Tiktok上一个热门植物主题账号发布了一则介绍热带植物的视频^[11]，视频中引用了这篇论文，收获了230万次观看量和60多万个赞。
有褒奖自然也有批评。同领域的研究者们在仔细阅读这篇论文后，对内容本身和发表流程都提出了质疑。
避役藤的研究大拿Ernesto Gianoli——没参加论文的同行评审——率先开炮。他指出，实验设计存在一个非常明显的瑕疵：未排除混杂因素（confounding factor）。
Gianoli认为，光线和叶片年龄是两个重要的混杂因素，但实验设计没有排除这两个变量。横架下方的叶片可能一直处在阴头里，为了获取尽可能多的阳光能量，所以会努力长得更大片，而当藤蔓向上爬升，进入光线更充足的空间，叶片就会往小了长，以减少水分流失，而叶片越小，形状会越偏向圆形，崎岖的轮廓线就越少，看上去越像假叶片。如果不先排除光线这一干扰因素，那就无法确定叶片形状的变化究竟是拟态的结果还是仅仅尺寸变小了。同理，处于不同生长阶段的叶片自然表现出不同形态，因此，叶片的发育年龄也可能影响其拟态机制的最终定论。
其次，论文采用的数据分析方法也被指使用不当。瑞士洛桑大学（University of Lausanne）的植物演化生物学家John Pannell指出，研究测量的是同一株植物的不同叶片类型，说明叶片彼此间并不独立，而论文采用T检验和单因素方差分析（one-way ANOVA）只适用于数据彼此独立、互不干扰的情况。统计方法使用错误，得到的p值也就毫无意义。
第三个质疑便是关于“确认偏误”（confirmatory bias），也叫“证真偏差”。简单来说，科学家太过钟爱自己提出的假说，希望自己的理论是正确的，所以在验证过程中有选择性地使用有利于“假说为真”的方向设计实验、搜集证据、诠释结果。White和Yamashita的论文便有这种倾向——没有深入讨论植物视觉机制的合理性，没有排除实验中的混杂因素，分析实验结果时将叶片简单区分为“拟态叶片”和“非拟态叶片”……这都说明作者并没有秉持客观、批判的态度，而只是想要认定视觉假说是对的。
但上述这些问题并不能全部怪罪于作者，学者们惊讶于在评审过程中，专业编辑和同行评审们竟然都没有发现……对于这些质疑，编辑和作者并没有做出明确回应。
最后一个普遍的质疑是缺少利益冲突陈述：《植物信号和行为》的主编František Baluška也是论文作者Yamashita的导师。根据论文写作规范，作者应该要写明Baluška在论文发表流程中发挥了什么作用，只有澄清了作者和编辑之间存在的利益冲突，读者才能在阅读过程中判断这样的利益冲突将会如何影响结果的诠释。
著名医学网站医景网（Medscape）的主编、撤稿观察（Retraction Watch）网站的联合创始人Adam Marcus也认同碰到这样的情况应该要陈述论文涉及的利益冲突。而且Baluška应该在论文发表流程中主动避嫌，将这篇论文转交给其他主编来负责。现在的做法有可能从整体上对期刊上产生不良影响。
针对这一质疑，Baluška只给出了简短的回应：“为消除所有可能的问题，我已询问过九位同行评审员的意见。”
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“植物视觉”（plant ocelli）假说在沉寂了一个多世纪之后，由Baluška团队所复兴，Baluška本人一直坚信植物具有某种类型的视觉，在2016年的综述发表之前，他就带领团队展开实验，以拟南芥根系为研究对象，发现了基于植物特异性光受体的感光机制，提出“根尖单眼（root apex ocelli）”发挥类似晶状体细胞的功能^[12]，并进一步推测根系中还存在信息转换区域，类似大脑结构，通过基于光受体的信号传导通路网络来解析植物所处环境的明暗信息，引导根系的生长方向^{[13, 14]}。
因此，不难理解，相信植物根系可能拥有视觉的Baluška会支持White展开实验并发表论文，因为这会是证明“植物视觉”假说的另一个重要证据。Baluška 与Yamashita的最新合作论文再次强调了“植物视觉”理论，以自己先前的相关研究和White的研究为证据，提出植物单眼从藻类单眼演化而来，是植物复杂感官系统的一部分，并且引导植物的认知行为^[15]。
而Gianoli在2016年就曾评论过Baluška的“植物视觉”综述。首先，就避役藤拟态背后的机制而言，Gianoli更倾向于自己的解释：挥发性化学物质传导和生态时间尺度内的基因水平转移——因为叶片拟态与植物趋光性（例如单细胞莱茵衣藻和集胞藻属）以及叶片朝向是本质上不同的现象，因此与植物视觉的关联性更弱些^[16]。不过Gianoli也并非彻底否认“植物能看见”这一假说，只是到目前为止，还拿不出令人信服的证据。
面对Gianoli的质疑，Baluška解释说，叶片拟态即改变自身结构的空间排列方式，而改变的前提是要对模仿对象的形状或尺寸有概念，得先通过某种类型的视觉“看”到对方的“样貌”，之后才能模仿，而化学物质在这方面发挥不了作用。
双方始终各执一词。White和Yamashita则积极捍卫自己的研究成果，Yamashita表示已经在着手计划下一步研究。他们要增加避役藤、改进对照组设置，复现White的实验结果；还要与佛罗伦萨大学的Mancuso团队合作，从植物电生理学方面展开调查，以探索当其他植物出现在避役藤附近时，藤蔓内是否会突然产生电活动。Gianoli则希望进一步展开野外调查，看能否解释清楚植物拟态能力的机制。无论答案如何，如果研究人员最终能揭开谜团，答案可能会成为生物学的重要新基础。
别看Gianoli带头质疑“民科研究”，他对Jacob White这位民间科学家的研究过程本身倒是给出了很高的评价：“人们能在自家种植避役藤，这简直太让我激动了。”其实无论是Gianoli还是Baluška都曾在实验室尝试过培育避役藤，但不知何种原因，避役藤都长不好，结果也就没法继续深入研究。Gianoli说：“我们作为科学家，需要这样大胆的方法，也需要跳出常规的思维框架。但同时我们也不应该忘记规范，明确什么算是证据，什么不是证据。”^[17]
“我相信植物科学到时候会经历巨大的变革。”White说，“每天都有新文章发表，揭示植物有多神奇，我很自豪我是其中一员。”^[17]

参考文献

[1] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982214002693

[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0031942208000800

[3] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169534709003000

[4] https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(14)00388-1?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982214003881%3Fshowall%3Dtrue

[5] https://www.nature.com/articles/s41598-021-02229-8  

[6] https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1525538113

[7] https://elifesciences.org/articles/12620

[8] https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(16)30093-0

[9] https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/15592324.2021.1977530

[11] https://facultyopinions.com/article/740848575

[11] https://www.tiktok.com/@tallikesplants/video/7154776470370536750

[12] https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2015.00775/full

[13] https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1674205214603300

[14]  https://academic.oup.com/plcell/article/24/2/551/6097134

[15] https://www.mdpi.com/2223-7747/12/1/61

[16] https://www.cell.com/trends/plant-science/fulltext/S1360-1385(16)30171-6?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1360138516301716%3Fshowall%3Dtrue

[17] https://www.the-scientist.com/news-opinion/can-plants-see-in-the-wake-of-a-controversial-study-the-answer-is-still-unclear-70796

本文受科普中国·星空计划项目扶持

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

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