读书笔记——植物知道生命的答案

2016-05-08 10:32阅读：

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植物知道生命的答案
[美]丹尼尔·查莫维茨著刘夙译

读书笔记——植物知道生命的答案

在基因水平上，植物是比很多动物都复杂的生命。然而用“知道”来描述植物的行为，显然还是会引起争议，毕竟植物没有神经系统和大脑，不能协调来自于其全身的信息。作者使用人类的感觉与植物的感觉类比，用“看到”“嗅到”等词汇来描述植物对光学、化学等信息的感知过程，是希望大家以新的方式思考视觉、嗅觉以及植物的本质，并且最终帮助我们回答生命究竟是什么？
01 植物能看到什么
人眼相当于一部130兆像素的相机，当接收到光刺激之后，视网膜上的细胞对其产生响应，向大脑发送信号，大脑对光刺激进行解释，将其构建为图像化的生理感觉，这就是所谓的“视觉”。而植物也能感知光信息。
达尔文曾经研究过植物的“向光运动”。他发现金丝雀虉草的幼苗，会在三小时之内就向着昏暗的光亮发生明显的弯曲，进一步实验证明是茎尖感知到光，把信息传递到植物中部，使它朝光的方向

弯曲。

读书笔记——植物知道生命的答案

几十年后，专家在研究一种无休止生长，在枯萎之前也不开花育种的烟草植物时，发现它是通过“看到”光来判定是否进入开花步骤，在漫长日照下它会一直长叶，直到经历短日照才会开花。这种植物称为“短日照植物“，与之对应的是大麦等“长日照植物”，而这种现象称之为“光周期现象”，它证明植物可以测算它们获取了多少光。
如果在半夜对短日照植物亮几分钟的光，则即使经历短日照条件它也不会开花。这说明植物测量的并不是白昼的长度，而是连续黑暗的长度。（所以短日照植物是因为经历“长黑暗”才会开花。）后续研究证明，植物是通过叶子里的光敏色素接受特定的光信号。白昼终了时，植物“看到”的最后一道光是远红光（波长比红光略长），它使得光敏色素失活，植物进入“休息”状态，日出的红光会激活光敏色素并将植物唤醒。通过测算此周期的长度，植物就可以调整生长模式。现在，花农已经学会利用这种光开关来在非花期获得绽放的花朵。
在黑暗中的植物会比强光下长得更高，这是它们在试图“钻出土壤”或“伸出阴影”。科学家借此判断出“失明”的植物就是那些在强光下也会长得很高的植物。通过与正常植物比对，可以找到植物所依赖的光受体。在感知水平上，植物的视觉要比人类复杂得多，拟南芥有11种光受体，而人类只有4种。前面讨论的向光弯曲和控制开花实际上是不同的光受体在发挥作用。
尽管人类和植物的光受体都是一种蛋白质和一种与之联结的能吸收光的色素分子构成的，但是人类的光受体通常不会出现在植物中，反之亦然。然而，隐花色素是个例外，它同时出现在两者体内，都起到根据光照来调控生物钟的作用，这是单细胞生物就进化出来的感光策略。
02 植物能嗅到什么
当气体分子能够刺激到鼻子里面数以千计的受体中能对其产生专一反应的那部分时，就会引发大脑中神经放电，而人就会感知到气味。那么没有神经系统的植物能感知气味么？
农民曾经用煤油加热大棚来催熟柑橘，他们觉得这是热效应，但是当使用电热器后却效果全无。研究表明是煤油烟中的乙烯气体起到了催熟作用，它被证明是一种通用植物激素。成熟的果实也会产生乙烯，周围的果实“嗅到”该气体会加速成熟。
不能进行光合作用的菟丝子，是一种靠吸收寄主养分为生的寄生植物。它可以“追踪”番茄的气味，朝向番茄生长。而小麦的气味中同样具有吸引菟丝子的b-月桂烯分子，但因为它还会释放出乙酸己烯酯，菟丝子会对其敬而远之。
植物不但能“嗅到”气味，还可以通过气味分子进行化学通讯。当棉豆的叶子收到甲虫侵害时，它会散发出水杨酸甲酯，这是植物的一种“防御激素”，“嗅到”水杨酸甲酯的其它叶片，也开始散发这些信息素警告周围的叶片，并且分泌蜜汁吸引那些以甲虫为食的节肢动物来保护自己。
植物并没有嗅觉神经和解释信号的大脑，但是它们能察觉空气中的挥发物，并做出生理反应，这显然也可以称为嗅觉。
03 植物能感受到什么
人类的触觉是依靠感知压力的细胞，将压力转变为电化学信号并通过神经系统传递给大脑，而大脑处理这些信号，将其转换为不同类型的感觉，并引发躯体反应。然而不具备神经系统和大脑的植物，不但知道自己什么时间被触碰，还能够区分冷和热。
捕蝇草是用于说明植物触觉最典型的例子。捕蝇草的瓣片内部有几根巨大的黑毛，这是它的触发器，当至少两根黑毛在20秒之内被触碰时，叶片就会被激发，在不到十分之一秒的时间内合拢，将毫无防备的猎物夹在其中。因为特殊的触动机制，捕蝇草可以区分猎物和雨滴。
植物没有肌肉，例如含羞草一类的植物是如何在被碰触后进行响应的呢？原来，这些植物叶子的坚挺是由于细胞壁外侧有很高的水压，而水压的形成则是因为细胞壁外侧的水有进入细胞内侧稀释内部钾离子的趋势。当被触碰产生电信号之后，植物细胞内的钾离子通道就会打开，导致水份离开，于是细胞松垮下来。一旦电信号消失，钾离子又会被泵入细胞，实现逆过程。
作为固着生根的生物，植株不能退缩或逃脱，但它们能够改变新陈代谢去对环境做出响应。植物细胞受到机械刺激，能引发细胞内外离子条件的改变，从而引发电信号在细胞间传递，所造成结果甚至可以是迅速改变基因结构，最终调节植物的发育。
04 植物能听到什么
人类内耳的毛细胞可以感知空气压力波，毛细胞的静纤毛可以收集振幅和频率两种信号，分别对应着声音的响度和音调。静纤毛一边震动一边引发动作电位，传递给听神经，随后传递给大脑，大脑将这些信息转化为各种声音。如果植物没有眼睛都可以觉察光，那么是否也能听到声音呢？
很多研究者试图在音乐和植物之间建立联系，甚至尝试不同类型的音乐，例如摇滚乐和莫扎特，有人也得出了两者相关联的结论。但是，到目前为止已经证明这些实验要么不够严谨，要么混入了其他因素，例如播放音乐的扬声器散发的热量会帮助提高了植物萌发的效率。最后所有的证据似乎都表明植物是“聋子”。
人类和其它动物的听觉带来的演化优势在于，通过声音，人类和动物可以在危险中可以快速交换信息并做出反应。但是植物固定在地面上，它们不随着季节迁徙也对很多危险无从躲避，除极少数特殊情况之外，植物的运动都相当缓慢，因此并不需要能让它们快速撤退的详细通讯方式。
有趣的是，在植物身上确实发现了与人类听力缺陷有关的“聋子基因”。但这些基因并不是导致耳聋的凶手，只有基因发生突变才会造成听力丧失。在人体内这些基因和毛细胞的形态有关，而在植物体内它们影响着根毛发挥正常功能。
05 植物如何知道身在何处

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在讨论植物为什么能在土壤中认识到何为“上”，何为“下”之前，还是首先介绍人类何以知道自己的空间位置，其原因就是我们具备“本体觉”。本体觉牵涉到内耳信号和某些特殊神经信号的协调输入——内耳传递平衡感，特殊神经传递位置信息。有两种主要的身体过程依赖于本体觉，即静止和运动时意识到身体各部位之间的相对位置。
人们将植物绑在高速转动的水轮之上，用离心力模拟重力的实验，一段时间之后发现植物都朝着圆盘中心在生长，这证明植物确实是靠感知重力来确定生长方向的。近年来，科学家发现根和茎具有不同的重力感应机制，根察觉重力是靠根尖，而茎则是内皮层。植物根冠中央区域的细胞具有称作“平衡石”的致密球状结构，它比细胞其他成分要重，会落到植物底部，因此它是植物根上的重力传感器。在重力作用下，称为“生长素”的植物激素会出现在根的“上侧”和茎叶的“下侧”，分别导致根向下而茎叶向上生长。
尽管植物是固着的生物，但是如果耐心观察，还是能捕捉到所有的植物都在做着螺旋状摇摆运动。达尔文认为这是植物的内禀行为，而后来的研究者则认为这其实是植物生长过程中，重力导致平衡石重新分布，引发植物修正生长方向，然而矫枉过正导致了循环往复摆动。后来人们在无重力的太空中进行了试验，发现这种运动是内禀行为，但是重力因素会增强这种运动。
06 植物能记住什么
人类记忆包含三个层次：底层为程序记忆，是在外部刺激下做出身体动作，例如游泳；第二层是语义记忆，是对概念的记忆；第三层则是情景记忆，是对过去经历事件的记忆。植物显然不具备语义记忆和情景记忆，但是一些实验结果表明，植物应该具有程序记忆能力。
所有形式的记忆，其共同之处在于它们都包含形成记忆、保持记忆和提取记忆的过程。如果寻找植物存在记忆的证据，也要看这三个过程是否发生。
还记得捕蝇草的触发程序么，至少两根黑毛在20秒之内被触碰，叶片就会被激发。这意味着它对第一根毛被触动的信息做了编码（形成记忆），储存这个信息20秒（保持记忆），一旦第二根被触动，这个信息就会重新获得（提取记忆）。实际上，第一根毛触动时，捕蝇草通过发送电信号使得钙离子浓度上升，但是浓度尚未到达阈值，捕虫器不会闭合；保持20秒，在这个过程中如果有第二次触动，则钙离子上升超过阈值，捕虫器闭合。这是一种“短时记忆”。
鬼针草的顶芽被摘除之后，它原本休眠的两个侧芽就会开始均等地生长，然而有趣的是，如果在去掉顶芽之前摘除了一侧的叶子，那么只有剩余叶子一侧的侧芽会生长。即使摘除叶子和摘去顶芽的时间间隔达到两周，仍然可以观察到这种现象，这说明植物具有“长期记忆”。

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植物的记忆也会遗传，一些需要经历寒冷的冬天才能开花的植物，会将对寒冷的需求遗传给下一代，而实际上这是一种对于冬天的记忆力。研究表明，植物是通过寒冷状态触发特定基因分子的组蛋白结构变化来实现这一过程的。冷处理使得染色质压缩得坚实，关闭了基因，因此植物在合适的条件就会开花，一旦开花基因又被激活，这样可以抑制在不合适季节的胡乱开花。
以程序记忆为特征的最低层次意识，是生物体感知外部和内部刺激并作出反应的能力。植物展现出了多种类型的记忆，还具有某种形式的意识，那么是否应该认为它们具有智力？
结语有意识的植物
如果人类和植物具有相似的本领，都能对复杂的光环境、错综的气味、多样的物理刺激产生意识，如果人类和植物都有偏好性，都有记忆的话，我们能把植物当成和我们一样的生物看待吗？
当我们凝视植物时，我们看到的是我们自己演化的另一种可能结局，在大约20亿年前分道扬镳的演化路线的结局。

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