如何破解植物發(fā)出的信號

2007/1/15 0:00:00

昆蟲學家理查德·卡爾班知曉如何使蒿屬植物之間產(chǎn)生交流對話。為了讓這些植物進行交談，他假扮成一只蝗蟲或是一只靠咀嚼進食的甲蟲——用剪刀去剪其中一叢灌木的葉子。把葉子全都剪光是不能騙過這些植物的，所以他在葉子的邊緣和葉尖上制造了很多缺口——“很多小咬痕�！�

幾個月后，加利福尼亞大學的卡爾班教授和研究植物防御通信的戴維斯一起回去查看這些植物，發(fā)現(xiàn)它們的很多葉子已經(jīng)被真的蝗蟲和甲蟲破壞了。但是，生長在他們的實驗植物周圍的蒿屬植物卻躲過了那群饑餓的昆蟲的蹂躪。那是因為卡爾班剪葉子的行動使那些被破壞的植物相信它們正在遭受昆蟲的襲擊，所以它們的葉子散發(fā)出代表警報的化學物質到空氣中。臨近植物的葉子截獲且破譯了這些密碼信息，因此才得以準備抵御天敵的來襲。

在我們看來，植物是沉默不語的，這只是因為我們并未覺察到它們之間的交流對話——我們才剛剛開始要竊聽這些秘密談話。植物總是在空氣中釋放密碼信號，以便抵御昆蟲的襲擊和其他威脅，并在一定范圍內(nèi)發(fā)出警報給臨近的植物。不僅如此，植物還能發(fā)放出緊急求救信號，以獲取救援行動并召喚以這些入侵的昆蟲為食的捕食者。

植物以化學代碼進行交談——即一種名為揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的含碳分子。揮發(fā)性有機化合物是一種特殊的化學物質，極易在空氣中揮發(fā)：光是在植物里含有的揮發(fā)性有機化合物種類就有30000種。一些揮發(fā)性有機化合物的衍生物的氣味聞起來像是草藥或是鮮花的味道。其他種類的揮發(fā)性有機化合物只有在特定的刺激下才會被釋放出來。在遭受襲擊的幾秒鐘之內(nèi)，植物會散發(fā)出綠葉揮發(fā)物（GLVs），這是一種我們能夠檢測到的物質——就氣味而言，它們的味道就像是一片剛被修建過的草地的味道。

植物還能發(fā)放出緊急求救的信號，以獲取救援行動并召喚以這些入侵的昆蟲為食的捕食者。

人類從這些揮發(fā)性有機化合物上不能獲取更多的資料，但是由植物自身所產(chǎn)生的分子波動卻包含了許多隱蔽的信息。就像所有傳輸信號一樣，植物間傳遞的信息可以被接收、破解、竊聽，甚至能被截獲。

植物散發(fā)揮發(fā)性有機化合物是對物理傷害或是對像昆蟲唾液、嘔吐物、產(chǎn)卵產(chǎn)生的液體等化學傷害做出的反應。昆蟲的噬咬能激發(fā)植物體內(nèi)的荷爾蒙，比如茉莉酸、乙烯，或是水楊酸，這些荷爾蒙能激活植物的防御基因。它們也可以像揮發(fā)性有機化合物那樣被植物的葉子釋放到空氣中，以警告其它的枝葉以及附近的植物群落危險的到來�？�爾班說，尤其是茉莉酮酸甲酯——是一種具有揮發(fā)性的茉莉酸——看起來“特別起作用”。他還發(fā)現(xiàn)，這種植物間的交流在基因相同的植物群落間更加有效�？�爾班把塑料袋套在那些被剪過的蒿屬植物的葉子上，以防止這些葉子釋放出的揮發(fā)性有機化合物進入到空氣中，這樣做的結果是，不論是這株植物其它的葉子還是臨近的植物，都不能啟動防御系統(tǒng)了。

揮發(fā)性有機化合物所包含的信息不止對于植物個體或是其同種群的植物有意義，與其不同種類的植物也可以截獲其信息。蒿屬植物釋放的警告信息能夠激活西紅柿和馬鈴薯的防御體系。盡管如此，現(xiàn)在還不清楚有多少種植物能夠竊取其他種類植物的信息。

另外，科學家表示植物也許不總是希望自己的信號被接收�！案嬖V臨近的植物自己正在被侵害并不總是符合植物的切身利益。”來自布盧明頓的印第安納大學的博士后研究員艾米·特洛布里奇如是說。相鄰植物之間存在著競爭關系，有可能受侵害的一方出于友善警告了自己的鄰居使其得以幸免于難，而自己卻飽受傷害。那為何不管怎樣植物都會發(fā)出呼救信號呢？不可避免是原因之一：植物用來抵御害蟲的“化學武器”必然會泄露到空氣中，因為它們是具有揮發(fā)性的——所以其他植物就會逐漸進化到能夠竊取這些信息。一些肉食性昆蟲也能夠截獲這種信號，這種信號于它們而言就是晚餐的召喚。被紅蜘蛛噬咬的蘋果樹會釋放出信息以吸引以紅蜘蛛為食的昆蟲。當雌性葉蜂在歐洲赤松的針葉上產(chǎn)卵的時候，赤松所散發(fā)出的揮發(fā)性化合物召喚寄生姬小蜂來殺死這些蟲卵。類似地，煙草植物在被蚜蟲啃噬的時候會召來寄生紅尾蜂，它們會把自己的卵產(chǎn)在蚜蟲身上，這些蚜蟲很快就會被從蟲卵里孵出的幼蟲給吃掉。

揮發(fā)性有機化合物所包含的信息不止對于植物個體或是其同種群的植物有意義，與其不同種類的植物也可以截獲其信息。蒿屬植物釋放的警告信息能夠激活西紅柿和馬鈴薯的防御體系。

當植物和昆蟲已經(jīng)進化到能交換彼此之間的化學信息的時候，人類只是剛剛開始去破解這些密碼。特洛布里奇說：“我們真的不知道這些化合物是如何被感知的�！毖芯咳藛T到現(xiàn)在還弄不清楚植物是如何從空氣中收集這些揮發(fā)性有機化合物，還有這些化合物的檢測濃度為多大。他們也不知道這些分子是否可以直接被葉子表面所吸收，或是能直接從葉子的氣孔進入到植物體內(nèi)。但是他們確實了解，“收聽”的植物為了能夠啟動化學防御反應，不僅要去接收這些化學信號，還要去破解它們。“僅僅是因為植物接收了這種化合物不能代表什么，”特洛布里奇說道。如果被截獲的信號不能被解碼，它就起不到任何作用。

不僅如此，這些信息有可能被編碼到組合分子中�！翱�爾班說：“當你在剪蒿屬植物的葉子的時候，它們所散發(fā)出的氣息包含著數(shù)不清的化學物質�！彼�用充滿特殊纖維的塑料袋收集這些揮發(fā)性有機化合物，并用氣相色譜儀進行分析。但是他還說了：“鑒別這些活性成分真的很困難�！眮碜詢�(nèi)達華大學的有機化學家克里斯·杰弗瑞和化學生態(tài)學家雷諾認為為了能真正破解植物的密碼系統(tǒng)，科學家必需同時解讀整個生態(tài)系統(tǒng)的化學發(fā)生過程�！澳阍谔骄恳粋�非常復雜的分子復合物，”他說，將這一現(xiàn)象比作我們的嗅覺。“這不是由一個單獨的反應產(chǎn)生的單獨的分子。”

為了能夠真正破解植物的密碼系統(tǒng)，科學家必需同時解讀整個生態(tài)系統(tǒng)的化學發(fā)生過程

為什么我們要如此費勁地去破解植物的密碼呢？首先，這些密碼會幫助我們了解植物是如何應對環(huán)境變化的——就像那些可以預報的氣候變化。科學家警告說氣候變化能擾亂植物間的交流，破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。一些信號可能會被放大而另一些則可能會被抑制或甚至難以被探測。

“大部分揮發(fā)性物質的揮發(fā)程度依氣溫而定，”特洛布里奇說道，所以一個變暖的星球使揮發(fā)性有機化合物更易進入到空氣里。更高的溫度還能提高制造揮發(fā)性有機化合物的酶活性。另一方面，植物為了能在旱災中生存下來，會關閉氣孔以防止水分的流失。關閉氣孔的葉子吸收的二氧化碳就變少了，而二氧化碳是制造揮發(fā)性有機化合物所必需的。因此特洛布里奇推測，揮發(fā)性化學信息的交流變少了，植物就不能探測到警告信號，更易受到昆蟲的侵害，或是完全屈服與蟲害的威脅之下。但是如果揮發(fā)性有機化合物排放得太多，植物種群對其自身保護得過好——昆蟲也許會尋找新的食物來源，去破壞其他種類的植物，并因此改變了整個生態(tài)系統(tǒng)。

所以下次，當你在花園里享受寧靜時，記住這種寧靜只是一種假象。要是你的耳朵能聽到它，你就會發(fā)現(xiàn)花園里有種狂野的呼叫在持續(xù)著。

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