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植物神经生物学的诞生

2014-04-08
植物神经生物学,《植物的秘密生活》
植物神经生物学的诞生
2014-02-24 作者:曹玲来源:三联生活周刊
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生物学神经植物
一群看似疯狂的科学家给植物学研究领域起了一个新名字,叫作“植物神经生物学”。
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各种各样的食虫植物

《植物的秘密生活》之后

1973年,一本名为《植物的秘密生活》的书登上了《纽约时报》非小说类畅销书排行榜。这本书声称植物有感情,相比摇滚乐,它们更喜欢古典音乐,它们还能对数百公里外人类没有说出口的想法做出回应。这本书由美国记者汤姆普金斯(Peter Tompkins)和园丁伯德(Christopher Bird)合著,糅合了植物学、江湖实验,以及神秘自然现象等内容,被称为“对植物与人类之间的肉体、情绪和灵魂关系的迷人论述”。当时正值新时代思潮成为主流,此书立即吸引了大众的眼球。最让人印象深刻的是书中描述1966年,美国中情局前测谎仪专家巴克斯特(Cleve Backster)把测谎仪连接到他办公室的一棵龙血树叶子上,让他惊讶的是,他发现仅仅通过想象龙血树被火烧,就能观测到测谎仪的指针晃动,记录到的电信号的波动表明植物能感到压力。“植物能读懂想法吗?”巴克斯特想跑到大街上对全世界宣称“植物能思考”。

巴克斯特和他的合作者测试了几十种植物,包括生菜、洋葱、橘子和香蕉。他声称这些植物对人类或好或坏的想法都有反应。在一个用来检测植物记忆的实验中,巴克斯特发现,有证据表明,植物能从6个侵犯其他植物的嫌疑人中选出凶手,当凶手被带到跟前时植物的电信号激增。巴特斯特的植物也强烈显示出它们厌恶物种间的暴力,当一个鸡蛋在它们面前被敲碎,或者把活虾扔到开水中去时,一些植物会表现出压力反应。1968年,巴克斯特在《国际超心理学杂志》上发表了他的实验结果。

曾为美国中情局测谎仪专家的巴克斯特相信植物能读懂他的想法

以色列生物学家丹尼尔

随后,一些真正的植物学家试图重现“巴克斯特效应”,但都没有成功,《植物的秘密生活》一书中谈论的大部分科学内容已经名誉扫地。但是这本书已经成了一种文化标志,美国人和他们的植物交谈,播放莫扎特的音乐给它们听,到现在还有很多人这样做。这看起来似乎无害,只是让人类用一种浪漫主义眼光思考植物。但是在很多植物学家眼里,《植物的秘密生活》对他们的研究领域造成了持久的伤害。以色列生物学家查莫维茨(Daniel Chamovitz)说:“这本书阻碍了植物行为领域的重要研究,科学家们对任何在植物感官和动物感官间进行比较的研究都非常警惕。”他于2012年写了一本书叫作《植物知道生命的答案》(Whata Plant Knows)。

《纽约客》杂志去年底的一篇文章称,《植物的秘密生活》导致那些寻找“神经生物学和植物生物学之间相似性”的研究人员进行“自我审查”。自我审查表现在2006年的一场争论中。当时一篇发表在《植物科学发展趋势》杂志上的文章提出“植物神经生物学”这个概念。六个联合作者主张,我们观察到的植物复杂的行为,目前不能简单地用遗传和生物化学机制来解释。植物能感觉并对很多环境变化做出回应,比如光、水分、重力、温度、土壤结构、营养、毒素、微生物、食草动物、来自其他植物的化学信号等等,这可能存在一些类似大脑的信息处理系统来集成这些数据,调节植物的行为反应。作者指出,已经在植物中发现的电信号和化学信号系统和动物神经系统中的发现类似,植物细胞也会通过电信号来传递信息,其方式和人类神经元彼此间的通讯方式相似。他们还指出,植物中也发现了动物体内的神经递质,如五羟色胺、多巴胺和谷氨酸,虽然它们的作用机制还不清楚。科学家的新发现表明,植物可能在认知、沟通、信息处理、计算、学习和记忆方面,比我们大多数人认为的更有智慧。丹尼尔在《植物知道什么》中写道:“这让我们不禁为在植物演化中扮演‘脑受体’角色的受体啧啧称奇,也许人脑的运作和植物生理之间的相似性比我们想象的要大。”

因此,这些人认为,有必要提出植物神经生物学这样一个新的领域,“目标在于理解植物如何感知它们的情况,并以综合方式对环境做出反应”。文章发表后不久,植物神经生物学学会于2005年在佛罗伦萨举行了第一届会议。2006年,他们创办了一个新的学术期刊,刊名为《植物信号和行为》。

植物神经生物学意味着,是进入一个激进的理解生命的新领域,还是退回到被《植物的秘密生活》所搅浑的一潭死水中去,取决于你和谁谈论植物科学。它的支持者认为,我们必须停止把植物当作被动的物体,比如不能移动的家具,要开始把它们视为熟练掌握了与自然界沟通技巧的主角。它将挑战当代生物学对细胞和基因过多关注的现状,重新把目光聚焦于有机体以及它们在环境中的行为。事实上,植物在陆地中占主导地位,地球上99%的生物都是植物。相比之下,人类和其他动物,用一句植物神经生物学家的话说,“只是痕迹”。

但是“植物神经生物学”的提法依然让很多同行无法忍受。他们认为它的理论基础有缺陷,植物神经生物学在描述植物和动物生理的相似性上走得太远了。36名杰出的植物学家联名写了一篇反对文章,也发表在《植物科学发展趋势》上。文章写道:“我们首先简单地陈述,没有证据表明,植物有结构类似神经元、突触或者大脑。”植物神经生物学的倡导者解释,事实上并没有人这样宣称,只是说有类似结构;这个术语本身具有引发争议的性质,因此能够促进学界对植物和动物处理信息的方式进行更多的争辩和讨论,如果通过这个术语可以督促人们重新审视自己对整个生物学以及植物学这一专门领域的理解,那么这个术语就是合理的。

在最初的六个创始人中,美国华盛顿大学植物学家范沃肯伯格(Elizabeth Van Volkenburgh)有些动摇,她认为或许放弃“神经生物学”这个叫法是最好的。“有人告诉我美国国家科学基金会不会资助任何有包含‘植物神经生物学’一词的研究,神经属于动物。”但是之后国家科学基金会的发言人否认了这一说法。共同创始人意大利生理学家曼库索(Stefano Mancuso)和斯洛伐克细胞生物学家贝鲁斯卡(Fraintisek Baluska)竭力抵制名称的改变,他们在工作中继续使用这一说法。

达尔文的“根脑”

曼库索似乎是该领域最慷慨激昂的发言人。2004年在给实验室命名时,他就取了“国际植物神经生物学实验室”这样一个名字。

曼库索关于人类低估了植物的信念来自少年时代读到的科幻小说,故事说一个生活在完全加速时间维度的外星种族到达地球,无法探测到人类的任何运动,于是得到了一个合乎逻辑的结论,人们是“惰性材料”,他们可以为所欲为。在他看来,我们视为“拜物教”的神经元,以及我们把行为等同于行动的倾向,让我们无法欣赏植物能做什么。比如,植物无法逃跑,经常被吃掉,好像没有不可替代的器官。

认为植物是某种低层级的有机体的历史非常悠久,这个观点在《论灵魂》一书中被亚里士多德形式化了。亚里士多德认为,植物是介于生物和非生物临界点之间的物种,它们只是一种非常低层级的灵魂,称之为植物灵魂。因为它们不会运动,所以它们不需要感觉。

“人们对植物的看法是错的。植物不仅能生存,也能够感觉。它们的感觉比动物精密得多,比如每一个根尖,都能同时且持续地侦测和监测至少15种不同的化学和物理参数,它们还能显示出这样神奇和复杂的行为,可用‘聪明绝顶’这个词来形容。但这种对植物的低估,一直伴随着我们的观念。”曼库索说。

他发现,植物的根尖有一个不到1毫米的特定区域,被称为“过渡地带”。这个小区域消耗了植物中最高数量的氧气,产生向前生长的信号。这个信号相同于我们大脑中的神经元,大脑用它来交换信息。虽然一个根尖只有几百个细胞能显现出这种功能,但是植物的根尖非常多,比如黑麦差不多有1400万条根,1150万个根尖,总长度大于600公里。

100多年前,植物的根系同样迷住了达尔文,他在晚年越来越热爱植物。他和儿子弗朗西斯进行了巧妙的植物学实验,包括根、幼根、幼苗,他们证明植物可以感受到光、水分、重力、压力以及其他一些环境,然后确定根生长的最佳轨迹。弗朗西斯是世上第一个植物生理学教授,任教于剑桥,在他的协助下,达尔文于1880年写了一本名为《植物运动的力量》的书,在长达500页的篇幅中讨论植物的每一个动作。在最后一章中,达尔文写道:“毫不夸张地说,植物的根尖有指导毗邻部位运动的力量,就像低等生物的大脑。”

食肉植物猪笼草

曼库索认为,过渡区或许是达尔文提出的“根脑”所在区。不过这个想法仍旧有争议,有科学家认为,那里到底是怎么一回事仍然没有被很好地理解,没有证据显示那是一个指挥中心。

曼库索又进一步延伸了他的发现。“我们有仿生机器人,灵感来自于人类和动物,但为什么我们没有仿植物机器人?”在他眼里,研究植物的根可以提供灵感,制造会生长、会像活的植物那样回应环境刺激的“机器人根”(Plantoid)。这个想法正在热那亚意大利工程技术研究所里进行研究,生物学家出身的工程师芭芭拉·玛祖莱(BarbaraMazzolai)探寻植物根系的工作原理,研制能监测土壤污染、探索矿物质和寻找水分的传感部件,希望机器人能学到植物根系的本领。芭芭拉说:“如果你想探索其他星球,最好的办法是送机器人根过去。”

植物间的交流

植物神经生物学家认为,我们对植物的理解远远不够,它们并非真正意义上的“聋子”和“哑巴”。

1983年,科学家声称树木可以彼此警告食叶昆虫即将到来。虽然早期的有关植物通讯的报告常被其他科学家认为荒谬,但是大众媒体热情地接受了“会说话的树”这个观念,把研究结果拟人化。最近10年中,植物通过气味进行通讯的现象已经在很多植物身上得到了反复验证,包括大麦、绢蒿、桤木在内。

美国加州大学戴维斯分校的生态学家理查德·卡尔班(RickKarban)为了让蒿属植物进行交流,模仿蝗虫或者甲虫啃食植物,用剪刀去剪其中一丛灌木的叶子。把叶子全都剪光是不能骗过这些植物的,所以他在叶子的边缘和叶尖上制造了很多缺口,就像很多小咬痕。

几个月后,他回去查看这些植物,发现很多植物的叶子真的被蝗虫和甲虫破坏了。但那些生长在他实验植物周围的蒿属植物,却躲过了饥饿昆虫的蹂躏。“剪叶子的行为使那些被破坏的植物相信,它们正在遭受昆虫袭击,所以散发出报警的化学物质到空气中。周围植物的叶子截获且破译了这些密码信息,得以抵御天敌的来袭。”卡尔班说。

不仅如此,一些肉食性昆虫也能够截获这种信号,这种信号于它们而言就是晚餐的召唤。被红蜘蛛啃食的苹果树会释放出信号,吸引红蜘蛛的天地;当雌性叶蜂在欧洲赤松的针叶上产卵的时候,赤松所散发出的挥发性化合物会召唤寄生姬小蜂来杀死这些虫卵;烟草在被蚜虫啃噬的时候,会招来寄生红尾蜂把卵产在蚜虫身上,蚜虫很快就会被从孵出的幼虫吃掉。

植物通过化学物质进行交谈,一些挥发性有机化合物只有在特定的刺激下才会被释放出来。在遭受袭击的几秒钟内,植物会散发出绿叶挥发物,我们能够检测到这种物质,它闻起来就像是一片刚被修剪过的草地的味道。

卡尔班说,他还尝试把塑料袋套在那些被剪过的蒿属植物的叶子上,以防止这些叶子释放出的挥发性有机化合物进入到空气中,结果发现,不论是这株植物其他的叶子还是邻近的植物,都无法启动防御系统了。

“早期关于植物通讯的研究有很大争议,现在人们普遍接受了这些研究。我花了很多年来发表论文,人们在科学会议上几乎要尖叫。植物科学家一般来说非常保守,都认为我们想听到新的想法,但并不是这样。”卡尔班说。

捕蝇草

植物的意识

近年来,科学家在植物中发现了人类大脑中的谷氨酸受体,这让他们大吃一惊。更让人吃惊的是,拟南芥能改变谷氨酸受体的药物敏感。人类大脑中的谷氨酸受体非常重要,对于神经通讯、记忆形成和学习都发挥着重要作用,很多有神经活性的药物都以谷氨酸受体为作用靶点。进一步的研究发现,这些受体能在植物细胞间的信号传导中发生作用,方式非常类似人类神经元彼此之间的通讯方式。

这些发现是否说明植物也有记忆呢?很多科学家都承认了这一点。丹尼尔说,植物存在多种不同形式的记忆,它们有短期记忆、免疫记忆,甚至还有跨代记忆。比如,捕蝇草的触发毛中如果有两根被虫子触动,叶片就会闭合,也就是说它要记住此前有一根被触动过,不过这种记忆只能维持20秒,之后它就忘记了。小麦幼苗能够记住它们已经在开始开花结籽之前过了冬。一些感到压力的植物后代,对同样的压力有更高的抵抗力,这在动物中也有同样的效果。“如果说记忆包括形成、存储和提取这几个阶段,那么植物的确存在记忆。捕蝇草的短期记忆是基于电信号的,非常像神经活动,长期记忆基于表观遗传,表观遗传能够改变基因的活性,却不会像基因突变那样改变基因编码,也能够传递到后代中。”

如果植物有记忆,那么它们有意识吗?“它们当然有意识,它们能区分红光、蓝光、远红光和紫外线;它们能对空气中飘散的微量挥发物产生反应;它们能感受重力,改变自己的形态以保证茎往上长,根向下伸;它们能记住过去的感染和所经历的天气条件,然后根据记忆改变当下的生理状况。”

斯洛伐克细胞生物学家贝鲁斯卡说,植物像人类一样,能在麻醉状态下失去意识。当植物受伤或者感到压力,它们就会制造乙烯,工作原理类似动物中的麻醉剂。药物能让植物进入反应迟钝的状态,类似睡觉。打盹的时候,捕蝇草会错过路过的昆虫。能够进入麻醉状态,是否意味着植物能感到疼痛?

原则上说,如果植物是有意识的,那么它们就能感到疼痛。如果感觉不到疼痛,你就会忽视危险,无法生存。但丹尼尔说:“植物有意识并不表明它们会感到痛苦。一棵能看、能嗅、能触的植物并不会比一台拥有硬盘驱动器的电脑感到更多的痛苦。”这符合大多数科学家的观点,即植物没有大脑,没有大脑就没有痛苦。对此,曼库索非常谨慎,他说:“我们不知道,我们必须保持沉默。”

他们不知道的东西太多。植物神经生物学的提法很容易引入“植物是否有智力”这样一个终极问题。植物神经生物学家认为,传统关于智力的定义出发点基于人类中心说,他们试图扩大智力的定义。“如果你把智力定义为解决问题的能力,植物能教给我们很多东西。”曼库索说,“它们不仅是在生长、适应等方面很‘聪明’,智力并不意味着仅有一个大脑。神经元可能被高估了,它们只是兴奋细胞。植物也有自己的兴奋细胞,在根尖后面的区域。”

反对植物神经生物学的耶鲁大学生物学家斯莱曼(CliffordSlayman)承认,虽然他不认为植物具有智力,但他相信它们有“智力行为”,就像蜜蜂和蚂蚁那样。他说,他不知道什么构成了智力。他定义智力行为是“能够适应环境变化的能力”。“从本质上讲,人类并不比猫更有智慧,当面对一只老鼠时,猫显然更有智慧。”他说。在这个问题上,如果植物神经生物学家愿意在“智力”前面加上“植物特有的”,那么很多争议都会消失。



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