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《科学大众》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

创办于1937年,是我国创刊最早、影响最大的科普刊物之一。现由江苏省科技厅主管、江苏省科协主办。70多...

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植物,没大脑有“智商”

2009-12-27 17:14:58

  如果让你用某个字眼来描述植物,你肯定不会用“聪明”来形容它们。如果有人说你像植物一样有远见,你肯定认为是在讽刺你。但是有些科学家却认为,植物的“智商”可能被过于低估了,它们不仅能够计算,有远见,而且记得曾经历的事情。

  有植物学家称,植物能够预测将来会出现的问题,并决定如何避免这些问题。我们知道,正在生长的植物嫩芽能够感知周围植被。绿叶吸收红光而反射红外线,植物可以识别从红光到红外线的光度变化,而这种变化又可以反映附近的绿色植被情况。植物可以预测这种情况将会产生的后果,认真筹划将来最可能在哪里遇到竞争和遮挡,并采取必要的预防措施或者进攻手段。除了与其他植物“勾心斗角”外,植物和食草动物之间也存在激烈的战争,并非“人为刀俎,我为鱼肉”的被动受害者。

  与“外家”争夺资源

  在植物界,普遍存在“非亲不认”的观念。科学家发现,植物与其他不同种的植物遭遇时,相互间的竞争往往更激烈。当植物发现周围的“邻居”与它们没有共同遗传体系时,便会投入更多精力,发展壮大自己——加快促进根部生长,与“外家”的暗中争夺地下资源。这个现象让科学家感到好奇:这些植物是靠什么来辨认亲戚的呢?

  有科学家认为,每个植物家族特有的蛋白质或化学信号,可能被分泌在周围土壤中,并被其他植物的根系发现。也就是说,植物可能有一套感知同种类植物蛋白质或化学信号的体系,如果它的根与其他植物的根系紧密地靠在一起,它就会分辨出对方是否与自己是同一种类。当然,植物的这种认亲方式还需要进一步的确认。

  向竞争对手“投毒”

  对于强有力的竞争对手,植物会使用“恶毒”的手段,将对手排挤走,甚至杀死对手。

  在俄罗斯境内,有一种高大的欧洲云杉,喜暖,与其共同生活在乌拉尔地区还有另外一种云杉,叫做西伯利亚云杉,这种云杉矮小,耐寒。但是,欧洲云杉对西伯利亚云杉没有采取包容的策略,而是悄悄夺取后者的养分,让对手“断炊”,这样,千年过去后,西伯利亚云杉就被欧洲云杉赶出了自己的领地,被迫向寒冷的乌拉尔山脉高处撤退。

  有的植物做事更绝,向竞争对手暗中“投毒”,非得要了对方的性命不可。在美国西南部的平原上,生长着一种山艾树,它十分霸道,在它生长的地盘上,从不允许任何植物生存,连一根杂草也不放过。在这些地方,放眼望去,除了山艾树和它的表亲“肉叶刺茎藜”,再没有别的植物。

  植物学家研究发现,山艾树对付竞争对手是靠分泌出一种有毒物质,给生长在它的势力范围之内的其他植物“投毒”,这样就达到了独霸一方的目的。

  主动寻求“益友”

  植物把根伸入地下,吸收养分和水分。为了能够更加茁壮地成长,有些植物还会从事一些“社交活动”。如地下有许多细菌都来想占它们的便宜,但并不会给它们带来什么好处,对于这种没有什么用的朋友,植物就会大门紧闭,拒之于千里之外;但对于对自己发展有益的细菌朋友,它们不但会四门大开,热情拥抱,还会主动前去巴结呢。

  如豆科植物就会主动巴结对自己生长有益的根瘤菌。科学家发现,根瘤菌是生长在豆科植物根部的像瘤子一样的菌块,与豆科植物共生。它能吸收并固定大气中的氮,以此给植物提供肥料,同时吸收植物中的碳水化合物作为自身的营养。但周围的细菌千千万,豆科植物又如何巴结它们呢?科学家通过实验发现,根瘤菌含有一种名为“Nod因子”的信号分子,让豆科植物非常着迷,它们的根部只要遇到这种分子,马上会主动上前巴结,与其结为“盟友”,从而为其所用。

  科学家正在研究,希望尽快让谷类作物也能借鉴这种“巴结术”。

  比“邻居”长得更快

  高脚棕榈树的茎长在支持根上,举出地面。当周围植物妨碍采光和吸收养料时,它会采取非常明显的规避行为——它向有阳光的一侧长出新的支持根,阴影中的根系则渐渐凋萎,整株植物就移到了阳光充足的地带。

  植物学家发现,植物一旦“发现”附近生长着其他植物,便生长得比它们的“邻居”更快,或者它们形成一种折中的生长模式,来对付相互冲突的各种信号。这时候,它们看上去就像聪明、复杂的决策者。

  有植物学家认为,这种现象只是由遗传密码决定的机械反应。也有科学家认为,很多植物表现出的行为适应性,远远超出了反射或受遗传密码控制的程度。植物的根可以根据土壤中矿物质和水分的梯度分布而生长,但它们并不总是采取这种简单模式。

  科学家研究了一种名为活血丹的匍匐草本植物的“觅食”行为。如果扎根在肥沃土壤中,它们就生出更多的枝、芽和叶,也会更快地形成团状的根,以充分吸收养分。然而,如果扎根在贫瘠土壤中,它们伸展得更快、更广,就好像正在逃离此地一样,同时根状茎变细,分枝形成变少。这意味着新芽距离母体植株更远,正在积极寻找新的肥沃土壤。实验还表明,活血丹的同系植物可以感觉到竞争者根系的存在,即使周围还有充足的养料,它们也会转向其它地区发展。

  “培训”蚂蚁当保镖

  蚂蚁为植物赶走害虫,植物用蜜汁作为酬谢,这是自然界常见的情景。科学家发现,这种互惠关系的实质可能并不是看起来那么简单。他们发现,蚂蚁喝下蜜汁后,会对动物蛋白产生渴望,从而变成贪婪的昆虫猎食者。也就是说,植物“培训”蚂蚁充当自己的保镖,而不仅仅是用报酬来“雇用”他们。

  亚利桑那州的沙漠中生活着一种仙人掌,它的蜜汁能吸引4种蚂蚁。科学家在仙人掌下面放上肉和糖为诱饵,观察蚂蚁的活动,同时在附近不产生蜜汁的植物下面也放上诱饵。结果发现,仙人掌附近的蚂蚁更喜欢吃肉,不管是哪一种蚂蚁。

  研究人员将实验室里培养的毛虫放在仙人掌上。结果,攻击毛虫最凶的蚂蚁正是那些对肉表现出最强烈兴趣的蚂蚁。随后,研究人员结合蚂蚁的数目和攻击毛虫的凶猛程度,来衡量一棵植物上的蚂蚁对昆虫的威胁性。结果发现,这棵植物上的“蚂蚁军团”威力越强,植食性昆虫就越少,植物的蜜汁使蚂蚁变成了能力更强的“保镖”。

  植物的学习与记忆

  有人说:世上没有两片相同的叶子。的确,每株植物都是一个个体,没有两粒种子会长成完全相同的植株,即使它们具有相同基因,或生长在看上去完全相同的环境里。植物能对15种以上的感官信号作出反应,比如光、化学物质、水、重力、土壤质地、损害等,并对这些信号加以综合和比较,从而调整自己的生长状态。

  科学家发现,植物的信号系统和动物的神经系统非常相似。植物利用细胞膜之间的电压变化把电子信号从一个细胞传递到另一个细胞,类似于我们神经中传递的行为电压。正如我们有痛觉神经一样,这些电压可以报告植物哪个部分受到了伤害。在植物细胞内外,传递信息的化学物质有很多和人类脑细胞内外负责加工信息的物质完全相同。

  植物和动物进行学习和记忆的分子基础也是相似的。当动物受到重复威胁——例如某种使它们吃了就生病的食物或者它们不断碰触的电网,它们学会更迅速地避开时,电子信号的速度和强度都会在几分钟内提高。如果威胁一直持续,这种强化的警醒将导致基因编码和蛋白质结构永久改变,在细胞间建立更多通道和连接。

  植物如果感觉到缺水,那么,与动物类似的信号细胞会命令植物建立更多感觉渠道,关闭气孔,并采取其他控制细胞内水分流失的措施。长期如此,植物的基因表现形式和蛋白质合成率就会改变,细胞壁变厚,叶子变小。最终,这种植物将长出更多的根,而芽和叶将减少。

  靠乙烯传送信息

  科学家一直力图弄明白,以刺槐叶为食的非洲羚羊,为什么会在它们拒吃的树旁饿死。科学家在对死亡动物的尸体解剖中发现,由于丹宁含量很高,它们的胃里有大量不消化的树叶。

  有关这个问题的实验仍在进行。有人带了一组学生,拿着棍子敲打刺槐的树枝,敲碎树叶,每隔一刻钟对树叶进行一次分析,他们发现丹宁的数量有规律地增加。在遭受了两个小时的虐待后,丹宁的含量达到了起初的2.5倍。遭到袭击后的100个小时,刺槐树叶里的丹宁比率才恢复正常。于是,研究人员又重新开始实验,赦免了几棵树。这些树位于一棵挨揍的树半径3米的范围内,它们产生的丹宁也都增加了。这说明树木之间必然通过传播媒介存在某种联络。

  科学家认为,植物间的联络是通过一种十分简单的气体,这种气体分子只包含2个碳原子:乙烯(分子式C2H4)。这是一种气体荷尔蒙,从一棵植物散发出来,对邻近植物产生影响。我们都知道,乙烯在水果成熟过程中发挥着作用,因为苹果在成熟时大量散发的乙烯居然会加快附近的绿香蕉变黄的速度。

  乙燃能加快水果的成熟,促进叶子产生丹宁。我们确定乙烯为一种联络的媒介,它至少起了传送信号的作用。

  植物是很有经验的化学家,它们不但运用乙烯,还利用其他的气体来传播信息。我们现在知道,受毛毛虫攻击的玉米植株会散发出鸡尾酒的气味,吸引胡蜂来消灭毛毛虫。当卷心菜遭到有名的菜粉蝶啃咬时,也有类似的战略:它们发出一种能吸引小胡蜂的气味。于是,胡蜂在粉蝶的幼虫中产卵,将部分幼虫消灭。

  松树与甲虫的生死决斗

  当食草动物不停地吞食植物时,植物发展了防御能力,比如,植物让身上长出荆棘。但是,植物更擅长以化学物质来保护自己。

  在美国西部松树林中进行的,以山区松树为食的一种甲虫,一直就和那里的扭叶松和西黄松厮杀得难分难解。这是一种生存死亡之争,要么是甲虫杀死松树而繁衍后代,要么是松树杀死甲虫而存活下去。

  第一只甲虫在松树上钻了一个洞,深入到了黑暗的树身内部。当它刚刚钻进去,松树就开始了反攻。它开始杀死那些创口附近的细胞,用黏稠的松脂去淹没进犯的甲虫,粘结它的道路,堵塞它钻开的孔洞。松脂涌进洞口,甲虫们就立即把松脂清除出去。这一斗争也许要持续几天或者几个星期,然后甲虫们才能开始扩大空间的咬啮活动,有了足够的开阔空间,它们才能产卵。松树体内流出松脂十分黏稠,可是甲虫却能够从松脂中爬出,也能把松脂弄到一边去,总之它们能够不被粘住。

  那些松树分泌的松脂含有一种被称为萜烯的特殊化学物质,它能毒化空气,使甲虫新开辟的孵化室充满毒气。萜烯就是那种使松林闻起来有一种特殊气味的物质。

  当松树力图用一团死细胞和有毒的胶质黏液来困杀甲虫时,全力反击的雌甲虫也在召唤自己的盟友,帮助它战胜强大的敌手。

  雌虫从松脂中开出一条路来,边爬边吃一些松脂,还把松脂中一些萜烯转变成一种特殊的、挥发性的香气。这香气的诱惑力很大,转眼之间就有成百上千的同类甲虫飞临这棵树,然后不待号令便动手,一齐向树干中间钻起来。

  这些甲虫在树上钻洞,松树就向外释放毒素,通常情况下松树会打败对手,甲虫们或者被杀死,或者被迫迁往别处。可是有的时候,由于甲虫的数量过大,松树的抵抗就会被压倒,甲虫就会在被征服的松树上定居下来,在那里繁衍后代。

  与天敌的斗争

  马铃薯和西红柿没有采用松树那样的进攻防御手段,它们选择了另外的方式:释放对手无法消化的物质,以此反击敌人。

  当昆虫的幼虫咀嚼马铃薯的叶子时,化学信号就会传遍整棵植物,发出警报。此时,植物开始释放一种化学物质,这种物质会抑制那些帮助昆虫消化的物质。幼虫是不会理会的,它们照样在大嚼着,可是抑制消化的物质却破坏了食物中幼虫迫切需要的营养,阻碍了幼虫的生长,使它们迟迟不能变为蛹,这就使幼虫的天敌有了更长的捕猎幼虫的时间。

  还有一些植物不是这样迂回,它们用致命的毒素冲刷自己的叶子,直接出手杀死昆虫。有一种叫山狗烟草的植物,是阿纳萨基印第安人长期吸用的烟草。当它们遭到攻击时,它们就会让尼古丁充满全部叶片,把毒素含量提高10倍,一片重0.03盎司(1盎司约为28.35克)的叶子就可以毒死10只老鼠。

  欧洲防风草高挺着伞状花序的花朵,在为田野道路点染着灿烂色彩的同时,其体内却储藏着威胁性的毒素。当受到伤害时,它们就会使用一种称为香豆酮呋喃的物质来保护自己,这种物质可以进入细胞,结成DNA链环,也就是一种遗传物质,给伤害者带来严重的不适。

  野生的欧洲防风草对大部分以DNA为基础的生命都有毒性作用,这也就是说,它们几乎对所有生命体来说都是有毒的,因而它们被列在有毒植物的名单里。如果你在日光下碰触到它们,那么接触它们的部位就会起一种刺痒的疹子。而且,欧洲防风草在叶子被弄掉时能鉴别出是被动物吃掉的,还是被风雨打掉的——只有在叶子被食草动物吃掉的时候才释放毒素。

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