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植物体内的内建计算机(图)

发表：2013-07-17 02:30

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植物

内建

计算机

【看中国2013年07月17日讯】一直以来，谈到植物，我们大多是着眼于它们的产物：种籽、花、果实、根、块茎、木材，甚至是氧气。如今，人们逐渐对于植物本身感兴趣，例如：当环境产生变化，植物会如何因应，而这又是如何进行的。在过去的印象里，植物总被借来比喻、形容较无生气、平淡的样子，以“木”字为例，植物缺乏行动能力，常被用来形容反应欠灵敏、迟钝，例如“像块木头似的”、“木讷”；或是“木然”、“麻木”，形容受到刺激也无动于衷的样子。但是植物的这种形象现今已经改变，事实上，和动物一样，植物具有多种感觉能力，植物间能够互相传递消息，特别是在出现危险需要防御的时候。

植物的夜间模式

我们知道植物能够表达，如今，我们还知道他们甚至会计算！在今年6月25日出刊的eLife 杂志披露了这个最新发现，这份报告来自英国的研究中心 John Innes Centre，这是一个以植物学与微生物学为重点的研究机构。

如同我们从学校里的基础教育学到的，植物行光合作用，利用从阳光里取得的光能，借由捕捉、消化与吸收大气中二氧化碳的碳，用以合成生存所需的有机物质。

然而，植物并非无时无刻都在工作，夜里没有阳光，便无法取得光能，但植物在夜里并不是停止生长，而是吸收他们白日工作时储存下的碳水化合物（例如淀粉），从中获取养分，好供给本身新陈代谢与生长所需。

以阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana，一种在植物学上被广泛研究的模式植物）为例，白日时半数的碳会被消化并储存到叶子内部的淀粉颗粒里，并且在晚上消耗殆尽（95%），即使研究人员刻意调整了日照时间，使夜晚的到临提前或是延后，这个消耗率95% 的数字仍维持不变。

注意到这个现象的研究人员，提出一个假设：在阿拉伯芥的内部，存在一个计算机制，它先计算出淀粉存量，然后计算距离破晓剩余的时间，接着将第一个值除以第二个值，用以计算淀粉被消耗殆尽前应该采用的速率。

他们的想法是，植物在每一个晚上都在安全范围内（最后剩余5%）用最大的消耗速率消化糖类存粮。另一个可能的推测：植物在夜里随着时间推进，调整消耗的速率。在第一个假设里，存粮消逝的速率是个常数，第二个假设里，这个速率将在一条时间线上不停变动，有加速或是减速的可能。

其实它们都知道，没那么好骗！

为了证实这个假设，生物学家们做了很长一系列的实验，以下简单说明部分内容。首先，他们改变了夜晚的长度（植物们原本习惯12 小时白昼与12 小时夜晚的生活环境），白昼的长度分别被调整为8、12、16 小时，于是夜晚的长度变成16、12、8 小时。每一次调整，阿拉伯芥都能够立刻因应新状况调整自己，在夜晚结束的时候留下5% 的存粮，而且存粮的消耗速率是常数，也就是说存粮的递减是线性的。值得注意的是，这条线的高低，取决于夜晚的长度，及白日储下之淀粉的存量。

这个实验结果显示，植物除了做一次除法运算之外，还会执行一次减法运算。事实上，根据植物的内部时钟（horloge interne），它知道两次黎明之间应该相隔24 小时，如果夜晚不是在白昼开始的12 小时后降临，而是突然提早于8 小时后降临，它有能力算出夜晚新的长度是16 小时，不再是原先的12 小时，并且同时调整消耗速率好适应新的夜长。

研究人员（有点没人性地）尝试了另一种较为激烈的研究方式：日照时间不变，减弱光的亮度，藉光能的减少来削减能够制造出的淀粉量。植物们虽然的确因此合成了较少量的糖类存粮，但于夜晚进行的稳定线性消耗则没有被扰乱。

另外，他们还使用了一阿拉伯芥的突变种来进行实验，此突变种的生理时钟异常，它“认为”一天只有21 小时，在实验过程中我们注意到，从黎明前三小时开始，也就是它认知的一天已经结束之后，由于天还没亮，它仍持续用原有的速率消耗存粮，就和其他正常的植物一样，但由于一开始它认知的资讯就是错误的，于是它计算失误，在夜里耗尽了所有的储备粮食。

为了钻更深的牛角尖（或者说更确定这研究结果）, 研究人员继续尝试新的实验方式，这一次他们在夜晚时段里插入一段光照期，想知道黑夜的暂时消失会不会让植物的内部时钟重置归零，但结果使他们失望了，即使植物在插入的光照期里的确重新开始工作累积存粮，但它并没有掉入陷阱，恢复夜晚状态之后，它会计算接下来还剩多少属于黑暗的时间，并且用更热烈的新节奏运转，好消化刚才多储备下的存粮！

到底植物是怎么进行计算的?

植物内部的这种运算机制是怎么运作的，仍然有待我们去了解。毫无疑问的，这个问题无关真实机器，也不是如我们理解的那样，是一个出于意识的计算。

研究人员推测，在两种不同的分子间，存在一种相互的化学作用。第一类分子的浓度提供给植物作为距离天亮还有多少时间的判断；另一种分子的浓度变化和储粮的存量呈正比。在植物处于没有其它能量来源的时候，这两种分子间的相互作用控制它决定要用什么速度来消耗存粮。

在动物体内也有类似的计算机

研究人员强调，这种化学机制也能在候鸟身上看见，这个锱铢必较的精确库存管理机制让牠们可以平安回到繁殖地。

皇帝企鹅身上也有类似的状况，这种不能飞的鸟类有一个疯狂的行为：“在南极洲严酷的冬天繁殖下一代”，母企鹅生下蛋后，将蛋转移到公企鹅的脚上，然后出发到海里捕猎食物，这段时间企鹅爸爸只能在没有进食的状态下耐心等待。如果几个星期后（此时企鹅爸爸已经挨饿超过一百天了），而牠的伴侣还没有回来，将会启动一个内在的警铃，告诉牠身体里储存的能量与时间所剩不多，仅够它挽救牠的皮肤（或者更确切地说，牠的羽毛），遗弃牠的小孩任其在冰天雪地里死亡，然后走过几十公里路到海里觅食，这是一个残酷的计算，但却是为了生存的必要。

来源:泛科学网

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