植物也有視覺(jué)嗎?
撰文 | 小葉
在南美智利的熱帶雨林中,生活著一種天賦異稟的藤蔓,叫做避役藤(Boquila trifoliolata)。它們攀緣著樹木或其他植物而生長(zhǎng),時(shí)間久了,葉片也會(huì)長(zhǎng)變,“跟誰(shuí)就像誰(shuí)”。甚至,它們還會(huì)模仿相隔一定距離、并無(wú)接觸的其他植物葉片,“看上了就變成它”。
圖1. 自然界中的避役藤丨來(lái)源:
https://powo.science.kew.org/taxon/urn:lsid:ipni.org:names:107230-1/images
01
早在19世紀(jì),就有博物學(xué)家發(fā)現(xiàn)并描述了避役藤葉片的神奇功能。在植物學(xué)界,這種能力被稱作“擬態(tài)”(mimicry)??杀芤厶倬烤故窃趺醋龅降模茖W(xué)家始終未能解釋清楚具體的機(jī)制。智利拉塞雷納大學(xué)(University of La Serena)的植物生態(tài)學(xué)家Ernesto Gianoli對(duì)避役藤的研究斷斷續(xù)續(xù)近十幾年,是該領(lǐng)域的重要學(xué)者。
2010年,在一次野外調(diào)查中,Gianoli意外發(fā)現(xiàn)避役藤葉片能夠模仿20多種植物葉片的尺寸、形狀和色彩。2014年,他在《當(dāng)代生物學(xué)》(Current Biology)期刊上發(fā)表論文[1],推測(cè)避役藤葉片擬態(tài)能力有兩種可能的機(jī)制:
第一種是“揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)傳播”。先前已有研究證明,揮發(fā)性有機(jī)化合物會(huì)誘發(fā)鄰近植物作出特定反應(yīng)[2, 3],例如生成次級(jí)代謝產(chǎn)物、植物轉(zhuǎn)錄組變化等。Gianoli團(tuán)隊(duì)由此假設(shè),“原型葉片”中的某些揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)通過(guò)空氣傳播到避役藤葉片上,影響后者基因表達(dá),進(jìn)而產(chǎn)生表型變化。
第二種是“植物間基因水平轉(zhuǎn)移”。即,通過(guò)空氣中的傳播媒介(微生物)、植物間寄生或者自然嫁接,將“原型葉片”的基因或者表觀遺傳因子傳遞給避役藤,影響其性狀表現(xiàn)。提出第二種假說(shuō)是因?yàn)椋m然避役藤攀援寄主樹干,但其葉片模仿的對(duì)象不僅限于寄主葉片,還包括距離自身最近的其他植物葉片。然而,Gianoli并沒(méi)有展開后續(xù)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證他所提出的假說(shuō)[4]。
到了2021年,Gianoli團(tuán)隊(duì)在避役藤葉片擬態(tài)機(jī)制方面的研究又有了新進(jìn)展。11月,他們?cè)凇犊茖W(xué)報(bào)告》(Scientific Reports)上發(fā)表文章稱[5],利用基因測(cè)序技術(shù),發(fā)現(xiàn)避役藤擬態(tài)葉片和“原型樹葉”之間存在相似的微生物組群,這暗示了微生物可能參與擬態(tài)行為,但仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證這個(gè)推論。
就在這時(shí),一位民間科學(xué)家(civil scientist)出手。他為避役藤的擬態(tài)行為提出了一個(gè)簡(jiǎn)單到難以置信的理由:
說(shuō)不定避役藤能看到別的葉子長(zhǎng)啥樣呢?
02
來(lái)自美國(guó)猶他州的Jacob White沒(méi)有任何科研學(xué)術(shù)背景,也沒(méi)接受過(guò)科研訓(xùn)練,但對(duì)科學(xué)和植物滿腔熱情,喜愛閱讀科普書籍和科研論文。有一次,他讀到兩篇論文,分別描述了兩種藻類特殊的感光結(jié)構(gòu)。第一篇文章[6]認(rèn)為,單細(xì)胞萊茵衣藻(Chlamydomonas algae)的趨光行為(phototactic behavior)依賴于其眼點(diǎn)結(jié)構(gòu)(eyespot apparatus)內(nèi)的光受體;第二篇文章[7]則介紹了藍(lán)藻菌(cyanobacteria)集胞藻屬(Synechocystis)細(xì)胞發(fā)揮了類似球狀微型透鏡(spherical microlenses)——也就是晶狀體——的作用,讓細(xì)胞“看到”光源,從而向著光源移動(dòng)。這兩篇文章內(nèi)容都將藻類和“眼睛狀”結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來(lái),White由此萌發(fā)聯(lián)想:有沒(méi)有可能其他植物也有類似的基本視覺(jué)呢?
此時(shí),波恩大學(xué)(University of Bonn)的植物生理學(xué)家 Franti?ek Balu?ka 和佛羅倫薩大學(xué)(University of Florence)的植物神經(jīng)生物學(xué)家Stefano Mancuso共同合作的短篇綜述提出了與White不謀而合的觀點(diǎn)[8]:植物可能擁有眼睛狀結(jié)構(gòu),提供某種形式的視覺(jué)。
圖2. Balu?ka與Mancuso合著的綜述,提出植物因?yàn)樘赜械膯窝劢Y(jié)構(gòu)而具有視覺(jué)功能,來(lái)源:
10.1016/j.tplants.2016.07.008
在掏出40美元購(gòu)買全文并閱讀后,White對(duì)“植物視覺(jué)”假說(shuō)有了更多了解。原來(lái),早在1905年,植物學(xué)家Gottlieb Haberlandt就已經(jīng)假定植物葉片內(nèi)的上表皮細(xì)胞可以發(fā)揮“簡(jiǎn)易版眼睛”的功能,類似于昆蟲的單眼(ocelli)。在綜述中,作者提及了避役藤的無(wú)接觸擬態(tài)能力,推測(cè)可能是因?yàn)樘俾翱吹搅恕编従拥摹伴L(zhǎng)相”。這篇文章進(jìn)一步激發(fā)了White的好奇心,他開始在網(wǎng)上搜索一切關(guān)于“植物視覺(jué)”的研究,尤其是關(guān)于避役藤的。
可惜,學(xué)界內(nèi)的專業(yè)科學(xué)家對(duì)這個(gè)假說(shuō)似乎興致缺缺,也沒(méi)有人展開嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)。目前對(duì)避役藤擬態(tài)的主流看法基本就是前文Gianoli提出的植物間化學(xué)物質(zhì)傳遞和微生物組群。視覺(jué)假說(shuō)雖然驚世駭俗,但并沒(méi)有引起重視,更不用提廣泛研究了。
Jacob White決定自己動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)。
想要通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明避役藤有視覺(jué),White認(rèn)為,先要排除植物間化學(xué)物質(zhì)傳遞的可能性。思考許久,他靈機(jī)一動(dòng):既然避役藤看到什么葉子就能模仿什么葉子,那用人造的假植物代替真植物與避役藤接觸,既可以“欺騙”避役藤的“眼睛”,同時(shí)也可避免(生物)化學(xué)物質(zhì)傳遞的問(wèn)題。
他隨即購(gòu)買了一株避役藤,讓它纏繞在另一株仿真植物上,觀察它的長(zhǎng)勢(shì)。果然,避役藤在生長(zhǎng)過(guò)程中也會(huì)嘗試模擬人造葉片的形態(tài)!White相當(dāng)興奮,立刻拍下照片,發(fā)送給綜述作者之一,波恩大學(xué)的Balu?ka教授。令他意外的是, Balu?ka竟然回復(fù)了他,并建議他更換一下模仿對(duì)象,找個(gè)更接近于智利當(dāng)?shù)刂参锏姆抡嬷参?,White照做了,結(jié)果發(fā)現(xiàn)避役藤照樣能模擬出新的人造葉片的形態(tài)。
取得了初步觀察成果之后,White希望 Balu?ka教授能夠接手展開更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn),他怕自己只是一個(gè)沒(méi)有任何科研資歷的外行,會(huì)被專業(yè)人士批評(píng)為“民科”。他又買了四株避役藤,打算想辦法弄到德國(guó)送給Balu?ka教授,沒(méi)想到教授竟然鼓勵(lì)他繼續(xù)獨(dú)立實(shí)驗(yàn),還給出了指導(dǎo)意見。
說(shuō)干就干。White開始設(shè)計(jì)更復(fù)雜一點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)??墒且婚_始實(shí)驗(yàn)設(shè)置就出現(xiàn)了麻煩:既然是科學(xué)研究,就要安排實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組,無(wú)奈White家里空間有限,最終只能讓避役藤自為對(duì)照組(和原來(lái)的自己相對(duì)照)。具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖3所示:四盆避役藤并排放在窗邊,置于兩根橫架下方,一開始,藤蔓獨(dú)立生長(zhǎng),不攀附任何仿真植物,當(dāng)長(zhǎng)勢(shì)超過(guò)第一根橫架之后,讓藤蔓纏上仿真植物,繼續(xù)生長(zhǎng)。這樣一來(lái),以第一根橫架為界限,White就能比較橫架上下方避役藤葉片的情況。
圖3. Jacob White的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[9]
圖4. Jacob White家中做實(shí)驗(yàn)的四株避役藤。丨來(lái)源:
https://www.youtube.com/watch?v=cfB0DwquYHg&t=3s
四株避役藤展現(xiàn)了神奇的模仿能力。第一年,藤蔓接觸到人造植物的部分,葉片明顯不同于橫架下葉片,但模仿效果不太好。第二年,藤蔓抽出更多嫩芽,新長(zhǎng)出的葉片變得更像人造葉片,只是更小一些。隨著時(shí)間的流逝,避役藤的新葉子長(zhǎng)得越來(lái)越像人造葉片。White將整個(gè)過(guò)程以照片和視頻的形式記錄下來(lái),通通發(fā)送給Balu?ka。教授回復(fù),一不做二不休,干脆發(fā)個(gè)論文!于是,White把整個(gè)研究過(guò)程寫成一篇文章,投給《植物信號(hào)和行為》( Plant Signaling and Behavior)期刊——主編正好就是Franti?ek Balu?ka 。
Balu?ka將文章初稿發(fā)送給九位同行評(píng)審,其中七人給出了反饋。評(píng)審意見褒貶不一,有人立刻反駁,也有人表示贊揚(yáng)并提出一些打破陳規(guī)的問(wèn)題。但所有人都認(rèn)為,論文還需要提供更加堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)。于是Balu?ka建議讓自己實(shí)驗(yàn)室的一名研究生Felipe Yamashita協(xié)助White一起展開形態(tài)學(xué)分析。Yamashita過(guò)去沒(méi)有研究過(guò)避役藤,不過(guò)他的課題主要是植物智能(plant intelligence),那么植物視覺(jué)正好也屬于這個(gè)范圍。于是White將避役藤的葉片寄送給Yamashita進(jìn)行測(cè)量和檢驗(yàn)。
圖5. 未發(fā)生擬態(tài)的避役藤葉片(A) 與發(fā)生擬態(tài)的葉片(B) 。紅色箭頭指示未閉合的細(xì)葉脈。[9]
形態(tài)學(xué)分析顯示,橫架上方看起來(lái)發(fā)生了擬態(tài)的葉片與下方的原生葉片確實(shí)有不同,而且靠近藤曼頂部最年輕的葉片與底部最年長(zhǎng)的葉片也差異顯著。具體來(lái)說(shuō),頂部葉片的細(xì)葉脈(veinlet)更傾向于與其他葉脈連接起來(lái),而底部葉片葉脈的一頭往往是開放的。這是激素水平差異的表現(xiàn):激素參與葉脈圖的形成過(guò)程,隨著藤蔓的生長(zhǎng),細(xì)葉脈開放端減少,說(shuō)明擬態(tài)葉片和沒(méi)有任何擬態(tài)葉片中存在不同水平的激素。最終White和Yamashita倆人一起重新修改了論文,最終被期刊接收,于2021年9月發(fā)表[9]。
圖6. White與Yamashita合作的論文[9]
這篇由民間科學(xué)家White和植物學(xué)研究生Yamashita聯(lián)合發(fā)表的論文引發(fā)了意想不到的轟動(dòng)反響。國(guó)際生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的重要學(xué)術(shù)論文評(píng)估機(jī)構(gòu)Faculty Opinions(原F1000Prime)將其選入推薦論文[10],類別為“新發(fā)現(xiàn)”(new finding),評(píng)級(jí)為“卓越”(Exceptional,最高評(píng)級(jí)),專家褒獎(jiǎng)?wù)f它“有助于促進(jìn)植物感光能力研究的蓬勃發(fā)展”。除此之外,Tiktok上一個(gè)熱門植物主題賬號(hào)發(fā)布了一則介紹熱帶植物的視頻[11],視頻中引用了這篇論文,收獲了230萬(wàn)次觀看量和60多萬(wàn)個(gè)贊。
有褒獎(jiǎng)自然也有批評(píng)。同領(lǐng)域的研究者們?cè)谧屑?xì)閱讀這篇論文后,對(duì)內(nèi)容本身和發(fā)表流程都提出了質(zhì)疑。
避役藤的研究大拿Ernesto Gianoli——沒(méi)參加論文的同行評(píng)審——率先開炮。他指出,實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)存在一個(gè)非常明顯的瑕疵:未排除混雜因素(confounding factor)。
Gianoli認(rèn)為,光線和葉片年齡是兩個(gè)重要的混雜因素,但實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)沒(méi)有排除這兩個(gè)變量。橫架下方的葉片可能一直處在陰頭里,為了獲取盡可能多的陽(yáng)光能量,所以會(huì)努力長(zhǎng)得更大片,而當(dāng)藤蔓向上爬升,進(jìn)入光線更充足的空間,葉片就會(huì)往小了長(zhǎng),以減少水分流失,而葉片越小,形狀會(huì)越偏向圓形,崎嶇的輪廓線就越少,看上去越像假葉片。如果不先排除光線這一干擾因素,那就無(wú)法確定葉片形狀的變化究竟是擬態(tài)的結(jié)果還是僅僅尺寸變小了。同理,處于不同生長(zhǎng)階段的葉片自然表現(xiàn)出不同形態(tài),因此,葉片的發(fā)育年齡也可能影響其擬態(tài)機(jī)制的最終定論。
其次,論文采用的數(shù)據(jù)分析方法也被指使用不當(dāng)。瑞士洛桑大學(xué)(University of Lausanne)的植物演化生物學(xué)家John Pannell指出,研究測(cè)量的是同一株植物的不同葉片類型,說(shuō)明葉片彼此間并不獨(dú)立,而論文采用T檢驗(yàn)和單因素方差分析(one-way ANOVA)只適用于數(shù)據(jù)彼此獨(dú)立、互不干擾的情況。統(tǒng)計(jì)方法使用錯(cuò)誤,得到的p值也就毫無(wú)意義。
第三個(gè)質(zhì)疑便是關(guān)于“確認(rèn)偏誤”(confirmatory bias),也叫“證真偏差”。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),科學(xué)家太過(guò)鐘愛自己提出的假說(shuō),希望自己的理論是正確的,所以在驗(yàn)證過(guò)程中有選擇性地使用有利于“假說(shuō)為真”的方向設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、搜集證據(jù)、詮釋結(jié)果。White和Yamashita的論文便有這種傾向——沒(méi)有深入討論植物視覺(jué)機(jī)制的合理性,沒(méi)有排除實(shí)驗(yàn)中的混雜因素,分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)將葉片簡(jiǎn)單區(qū)分為“擬態(tài)葉片”和“非擬態(tài)葉片”……這都說(shuō)明作者并沒(méi)有秉持客觀、批判的態(tài)度,而只是想要認(rèn)定視覺(jué)假說(shuō)是對(duì)的。
但上述這些問(wèn)題并不能全部怪罪于作者,學(xué)者們驚訝于在評(píng)審過(guò)程中,專業(yè)編輯和同行評(píng)審們竟然都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)……對(duì)于這些質(zhì)疑,編輯和作者并沒(méi)有做出明確回應(yīng)。
最后一個(gè)普遍的質(zhì)疑是缺少利益沖突陳述:《植物信號(hào)和行為》的主編Franti?ek Balu?ka也是論文作者Yamashita的導(dǎo)師。根據(jù)論文寫作規(guī)范,作者應(yīng)該要寫明Balu?ka在論文發(fā)表流程中發(fā)揮了什么作用,只有澄清了作者和編輯之間存在的利益沖突,讀者才能在閱讀過(guò)程中判斷這樣的利益沖突將會(huì)如何影響結(jié)果的詮釋。
著名醫(yī)學(xué)網(wǎng)站醫(yī)景網(wǎng)(Medscape)的主編、撤稿觀察(Retraction Watch)網(wǎng)站的聯(lián)合創(chuàng)始人Adam Marcus也認(rèn)同碰到這樣的情況應(yīng)該要陳述論文涉及的利益沖突。而且Balu?ka應(yīng)該在論文發(fā)表流程中主動(dòng)避嫌,將這篇論文轉(zhuǎn)交給其他主編來(lái)負(fù)責(zé)。現(xiàn)在的做法有可能從整體上對(duì)期刊上產(chǎn)生不良影響。
針對(duì)這一質(zhì)疑,Balu?ka只給出了簡(jiǎn)短的回應(yīng):“為消除所有可能的問(wèn)題,我已詢問(wèn)過(guò)九位同行評(píng)審員的意見?!?/p>
“植物視覺(jué)”(plant ocelli)假說(shuō)在沉寂了一個(gè)多世紀(jì)之后,由Balu?ka團(tuán)隊(duì)所復(fù)興,Balu?ka本人一直堅(jiān)信植物具有某種類型的視覺(jué),在2016年的綜述發(fā)表之前,他就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)展開實(shí)驗(yàn),以擬南芥根系為研究對(duì)象,發(fā)現(xiàn)了基于植物特異性光受體的感光機(jī)制,提出“根尖單眼(root apex ocelli)”發(fā)揮類似晶狀體細(xì)胞的功能[12],并進(jìn)一步推測(cè)根系中還存在信息轉(zhuǎn)換區(qū)域,類似大腦結(jié)構(gòu),通過(guò)基于光受體的信號(hào)傳導(dǎo)通路網(wǎng)絡(luò)來(lái)解析植物所處環(huán)境的明暗信息,引導(dǎo)根系的生長(zhǎng)方向[13, 14]。
因此,不難理解,相信植物根系可能擁有視覺(jué)的Balu?ka會(huì)支持White展開實(shí)驗(yàn)并發(fā)表論文,因?yàn)檫@會(huì)是證明“植物視覺(jué)”假說(shuō)的另一個(gè)重要證據(jù)。Balu?ka 與Yamashita的最新合作論文再次強(qiáng)調(diào)了“植物視覺(jué)”理論,以自己先前的相關(guān)研究和White的研究為證據(jù),提出植物單眼從藻類單眼演化而來(lái),是植物復(fù)雜感官系統(tǒng)的一部分,并且引導(dǎo)植物的認(rèn)知行為[15]。
而Gianoli在2016年就曾評(píng)論過(guò)Balu?ka的“植物視覺(jué)”綜述。首先,就避役藤擬態(tài)背后的機(jī)制而言,Gianoli更傾向于自己的解釋:揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)傳導(dǎo)和生態(tài)時(shí)間尺度內(nèi)的基因水平轉(zhuǎn)移——因?yàn)槿~片擬態(tài)與植物趨光性(例如單細(xì)胞萊茵衣藻和集胞藻屬)以及葉片朝向是本質(zhì)上不同的現(xiàn)象,因此與植物視覺(jué)的關(guān)聯(lián)性更弱些[16]。不過(guò)Gianoli也并非徹底否認(rèn)“植物能看見”這一假說(shuō),只是到目前為止,還拿不出令人信服的證據(jù)。
面對(duì)Gianoli的質(zhì)疑,Balu?ka解釋說(shuō),葉片擬態(tài)即改變自身結(jié)構(gòu)的空間排列方式,而改變的前提是要對(duì)模仿對(duì)象的形狀或尺寸有概念,得先通過(guò)某種類型的視覺(jué)“看”到對(duì)方的“樣貌”,之后才能模仿,而化學(xué)物質(zhì)在這方面發(fā)揮不了作用。
雙方始終各執(zhí)一詞。White和Yamashita則積極捍衛(wèi)自己的研究成果,Yamashita表示已經(jīng)在著手計(jì)劃下一步研究。他們要增加避役藤、改進(jìn)對(duì)照組設(shè)置,復(fù)現(xiàn)White的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;還要與佛羅倫薩大學(xué)的Mancuso團(tuán)隊(duì)合作,從植物電生理學(xué)方面展開調(diào)查,以探索當(dāng)其他植物出現(xiàn)在避役藤附近時(shí),藤蔓內(nèi)是否會(huì)突然產(chǎn)生電活動(dòng)。Gianoli則希望進(jìn)一步展開野外調(diào)查,看能否解釋清楚植物擬態(tài)能力的機(jī)制。無(wú)論答案如何,如果研究人員最終能揭開謎團(tuán),答案可能會(huì)成為生物學(xué)的重要新基礎(chǔ)。
別看Gianoli帶頭質(zhì)疑“民科研究”,他對(duì)Jacob White這位民間科學(xué)家的研究過(guò)程本身倒是給出了很高的評(píng)價(jià):“人們能在自家種植避役藤,這簡(jiǎn)直太讓我激動(dòng)了?!逼鋵?shí)無(wú)論是Gianoli還是Balu?ka都曾在實(shí)驗(yàn)室嘗試過(guò)培育避役藤,但不知何種原因,避役藤都長(zhǎng)不好,結(jié)果也就沒(méi)法繼續(xù)深入研究。Gianoli說(shuō):“我們作為科學(xué)家,需要這樣大膽的方法,也需要跳出常規(guī)的思維框架。但同時(shí)我們也不應(yīng)該忘記規(guī)范,明確什么算是證據(jù),什么不是證據(jù)?!盵17]
“我相信植物科學(xué)到時(shí)候會(huì)經(jīng)歷巨大的變革?!盬hite說(shuō),“每天都有新文章發(fā)表,揭示植物有多神奇,我很自豪我是其中一員。”[17]
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[17] https://www.the-scientist.com/news-opinion/can-plants-see-in-the-wake-of-a-controversial-study-the-answer-is-still-unclear-70796
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