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烟草和番茄面对威胁会“尖叫”

来源:科技日报    时间:2020-01-13    

  自达尔文时代起,人们在植物对外界感知应变能力方面的研究可谓车载斗量,也认识到植物虽不能移动,但也绝不是呆头呆脑。然而,此前的研究多停留在感知以及有机化合物、光电信号的传递上,对植物通过声波传递信息的研究还罕有报道,人们普遍认为植物王国几乎是沉默的。

  然而最近,以色列特拉维夫大学的艾·卡伊特和欧文·莱温·爱泼斯坦等人所做的一项研究,首次证明了植物在压力下会发出可远程检测且信息量丰富的声音,这一发现或将改变人们对“沉默”的植物王国的传统认知。

  此前并未探测到植物发出声波

  声音本质上是一种波,通过空气传播,传到人耳朵里引发鼓膜的振动。声音的大小,实际就是对这种振动强度的反映。人类的耳朵可以听到的最低频率约20赫兹,最高频率约2万赫兹,这是常见的、较公认的理论值,超过这个范围,就只能借助一些工具了。而一些动物,如狗和猫就能听到人类听不到的很细微的声音。

  此前大量研究表明,当植物暴露在干旱或有害昆虫、草食动物威胁中时,会表现出表型的改变,比如颜色、气味和形状的变化。它们所散发的挥发性有机化合物(VOCs)也会影响邻近的植物,导致这些植物抗性增强。总的来说,人们已证明植物能产生视觉、化学与触觉信号,而其他植物和动物有时也能对这些信号做出反应。然而,植物在受到胁迫压力下会发出声音的情况还没有得到充分研究。

  面对不同压力植物“叫声”也不同

  长期从事植物科学和粮食安全研究的艾·卡伊特和欧文·莱温·爱泼斯坦等人,把番茄和烟草两种植物都安置在一个隔声的消声箱中,在离植物10厘米的地方放置了可接收20到100千赫范围内超声波的特殊麦克风,并录制番茄和烟草在干旱、切叶、割茎以及灌溉等不同实验条件下的声音。结果发现,植物在干旱胁迫和被砍切、侵害的情况下发出的声音,明显多于正常对照组的植物。灌溉时植物发出的声音很少,接下来的4至6天中,随着干旱程度增加,每天的声音数量增加,然后随着植物萎凋、干枯而逐渐减少。

  研究人员发现,面对不同的压力源,这些植物会发出不同强度的声音。

  当烟草植株被榨干水分时,发出的声音比被切断茎干时更大。另外,在没有直接的环境威胁或损害的情况下,植株也会发出超声波,但比较少。

  根据实验结果,切断植株的茎干时,番茄会在一小时内发出25次超声波“求救”声响,烟草则会发出15次可能象征“痛苦”的声响。而被榨干水分时,番茄发出的声响次数更多,一小时达35次,而烟草会发出11次声音。

  研究项目还首次报告了在20至100千赫超声波范围内的植物声音,可被3至5米距离内的老鼠、飞蛾等听觉敏锐的动物感受到。

  一些生物可以听到植物的声音并做出反应

  这项研究目前发表在生物预印本网站bioRxiv上,虽然尚未发表于期刊并得到同行的审阅和认证,不过研究者认为,研究将促进人类对全世界植物演化和生态学的科学理解。

  在一项初步研究中,他们还成功地记录了来自刺五加和凤仙花等不同类群植物的声音。因此他们预计许多植物都有发出声音的能力,但这些声音的确切特征以及群体之间的相似性尚待确定。未来的研究可探究不同状态下植物发出的声音,包括疾病、寒冷、食草动物攻击或极端紫外线辐射等其他胁迫,以及开花、结果等各个生命阶段。一旦构建了一个大型植物声音库,就可以通过现代工具对其进行分析,以获得更多的认知。

  艾·卡伊特等人还提示,植物声音产生的机制可能是气穴作用,即气泡在木质部形成和爆炸的过程。不管其产生机制如何,这些声音都携带着信息,并且可以被其他生物体探测到。

  “研究已经证明了机器学习算法可以有效地对植物声音进行分类。因此,其他有机体可能也进化出了对这些声音进行分类并对其做出反应的能力。”艾·卡伊特等人举例说,西红柿和烟草是飞蛾幼虫的寄主,飞蛾能够听到实验记录的频率和强度的超声波并做出反应,这些蛾子会避免在发出压力声音的植物上产卵。

  他们假设,另一些捕食者可能也会利用植物的状态信息为自己谋利,例如,如果植物对毛虫的攻击发出声音,蝙蝠等捕食者可以利用这些声音来探测被攻击的植物并捕食毛虫,从而帮助植物;而附近的植物可能也会听到其他植物受干旱胁迫或受伤的信息,并作出减少蒸发等相应反应。

  或许,未来经过深入研究,一种植物信号传导的新途径或将大白于天下,到那时,人与植物实现“对话”或将不是梦。

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