植物也會(huì)“喊救命”

方陵生

植物保護(hù)自己的武器不僅僅是荊棘和刺薊，植物甚至還會(huì)向它們的動(dòng)物盟友“求救”……

伊恩·鮑德溫將他的實(shí)驗(yàn)室搬到了美國猶他州西南部大盆地沙漠的野外現(xiàn)場，那是位于一個(gè)陡峭斜坡上的一塊被燒成焦黑的土地。鮑德溫是一位生物學(xué)家，同時(shí)也是德國馬克斯 -普朗克化學(xué)生態(tài)學(xué)研究所分子生態(tài)學(xué)部門的負(fù)責(zé)人。他帶著一批設(shè)備來到這荒野之中，目的是進(jìn)行一項(xiàng)新的研究：植物如何保護(hù)自己。關(guān)于這個(gè)問題，他已經(jīng)探究了20年。

不同尋常的實(shí)驗(yàn)

猶他州沙漠荒野中的這片焦黑土地，是在一年前遭雷擊后變成現(xiàn)在這個(gè)樣子的。山坡上的刺柏屬叢木和山艾樹都在雷火中被焚毀，但大火引起的煙霧卻喚醒了蟄伏在土壤中的野生煙草種子，它們開始發(fā)芽生長，并最終占領(lǐng)了這片荒野之地。在鮑德溫眼中，它們正是他研究植物自衛(wèi)能力的理想實(shí)驗(yàn)對(duì)象，因?yàn)樵跓沟耐恋厣?，除非擁有?qiáng)悍而靈活的防御手段，植物是不可能生存下來的。于是，這片野生煙草被鮑德溫選定為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，他和他的研究團(tuán)隊(duì)用紅色尼龍布制作小旗幟，在煙草植株上做標(biāo)記，開始了他們不同尋常的研究。

為了監(jiān)測野生煙草如何以化學(xué)防御手段對(duì)付像毛蟲這樣的敵人，鮑德溫等人在實(shí)驗(yàn)地里架起了監(jiān)控設(shè)備，他們使用化學(xué)傳感器監(jiān)測植物之間的“通信信息”，包括“呼救”、“邀請(qǐng)”、“警告”等，而所有這類信息都是以人類鼻子無法感知到的氣味分子形式飄浮在空氣中的。

監(jiān)測結(jié)果給鮑德溫以極大的驚喜：野生煙草不僅擁有一定的自保能力，而且還能向它們的“動(dòng)物盟友呼救”。事實(shí)上，科學(xué)家已經(jīng)知道，植物不僅能發(fā)送化學(xué)信號(hào)來抵御它們的昆蟲敵人，而且還能發(fā)出信號(hào)吸引來它們的“盟友”——植物的敵人的敵人。植物的自衛(wèi)手段還不限于此，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了更令他們驚訝的事實(shí)：植物甚至還可以“聽”到附近的其他植物之間的“談話”，從而加強(qiáng)自身戒備，防御敵人來犯。鮑德溫認(rèn)為，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家最終將培育出能夠更“大聲”并持續(xù)“召喚”其“盟友”來對(duì)付農(nóng)業(yè)害蟲的莊稼品種。

煙草植物的“化學(xué)武器庫”

火災(zāi)之后幸存下來的煙草種子或許已經(jīng)蟄伏了一個(gè)多世紀(jì)，可當(dāng)它們重見天日，開始日漸生長起來時(shí)，卻又必須面對(duì)新的問題：種子發(fā)芽生長開花繁殖的機(jī)會(huì)只有一次，那它們?nèi)绾尾拍鼙苊饫ハx或草食動(dòng)物的危害？鮑德溫說，啃食煙草植物的昆蟲有許多種，而且每年這些昆蟲的種類和構(gòu)成都不相同，但煙草植物擁有驚人的可塑性，它們總是在適應(yīng)著不斷變化的環(huán)境。

煙草秧苗想要成功地活下來，就必須設(shè)法躲避開某些天蛾的毛蟲，而竹節(jié)蟲、跳甲和盲蝽象更是煙草植物避之不及的敵人。鮑德溫將在實(shí)驗(yàn)室里培育的一只饑餓的毛蟲帶到煙草地里，放在煙草植株上，然后進(jìn)行觀察。在接下來的幾天里，他用氣相色譜儀監(jiān)測被毛蟲侵犯的煙草葉子發(fā)出的分子信號(hào)，同時(shí)檢測附近未受到毛蟲侵害的煙草植株的反應(yīng)，以了解它們究竟會(huì)做些什么。

科學(xué)家早已知道，在遭到外敵入侵時(shí)，植物能夠激活自身強(qiáng)大的防御系統(tǒng)，就像人類產(chǎn)生抗體來抵御病原體一樣。例如，當(dāng)毛蟲啃食一片樹葉時(shí)，植物會(huì)識(shí)別出毛蟲唾液中所含的化合物，然后啟動(dòng)自身相應(yīng)的化學(xué)防御機(jī)制。許多植物都能產(chǎn)生毒素（如無色有毒的生物堿）來殺死昆蟲，或產(chǎn)生某種化合物以減緩和阻止入侵者消化植物。

如果這一招失敗了，植物還有第二道防線——受到攻擊的植物會(huì)向空氣中釋放它們的“化學(xué)驅(qū)蟲劑”。鮑德溫的研究證實(shí)，在危險(xiǎn)時(shí)刻，煙草植物會(huì)“召喚”它的“盟友”前來救助。他設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：先將組成“化學(xué)驅(qū)蟲劑”的化學(xué)物質(zhì)涂抹在煙草植株上，其中或者只包含一種他們已確定的揮發(fā)性化合物，或者混合有多種化合物。之后，將天蛾毛蟲的卵粘到經(jīng)過處理的煙草葉子的底面，并進(jìn)行觀察。不出他所料，涂抹在煙草植物上的化合物散發(fā)的氣味很快就引來了一種喜歡吃天蛾毛蟲蟲卵的小型食肉動(dòng)物。

鮑德溫對(duì)煙草植物發(fā)信號(hào)的過程進(jìn)行了解釋：植物感覺受到了傷害，于是以某種方式發(fā)出信號(hào)，某種昆蟲立即作出回應(yīng)，應(yīng)邀而至，于是植物與動(dòng)物之間的某種互利共生過程就這樣開始了。

科學(xué)家對(duì)植物強(qiáng)大的自衛(wèi)能力深信不疑，認(rèn)為植物通過釋放某些揮發(fā)性物質(zhì)，可以減少高達(dá)90%的草食動(dòng)物的攻擊，多數(shù)植物都能發(fā)出這種化學(xué)信號(hào)，而且這也是它們普遍使用的溝通方式。植物一直都在進(jìn)行著這樣的溝通。

植物向動(dòng)物“盟友”求救

荷蘭科學(xué)家馬塞爾·迪克也是最早對(duì)野生植物的化學(xué)信號(hào)反應(yīng)進(jìn)行研究的科學(xué)家之一，他的研究也表明，受到蟲害侵犯的植物會(huì)爭取它們的“盟友”——敵人的敵人的幫助。

迪克發(fā)現(xiàn)，當(dāng)利馬豆遭到葉螨攻擊時(shí)，只要葉螨的唾液一接觸到利馬豆，后者就會(huì)產(chǎn)生并向空氣中散發(fā)化學(xué)求救信號(hào)，吸引另一種蟲螨前來捕食利馬豆的葉螨敵人。迪克說，“科學(xué)界現(xiàn)在已一致認(rèn)同，即使不是所有的植物物種，至少大部分植物物種都擁有向植物‘保鏢發(fā)出求救信號(hào)的特性，即使是像銀杏這種已經(jīng)在地球上生存了1.5億年的古老植物，也能發(fā)出化學(xué)信號(hào)與昆蟲溝通。”

美國昆蟲學(xué)家孔蘇洛·德莫拉斯也致力于這方面的研究。她的研究表明，當(dāng)毛蟲啃食玉米、煙草、棉花等植物時(shí)，受到攻擊的植物會(huì)產(chǎn)生吸引寄生蜂的化學(xué)物質(zhì)，并在空氣中四散開來。這種化學(xué)信號(hào)有著非常明確的針對(duì)性，只吸引把卵產(chǎn)在危害植物的毛蟲體內(nèi)的寄生蜂。德莫拉斯說：“植物不只是說‘我受到傷害了，它們還會(huì)具體指明是誰在傷害它們。植物的這種自我保護(hù)機(jī)制復(fù)雜而令人難以置信?！?/p>

德拉莫斯和她的同事還發(fā)現(xiàn)，植物還能定時(shí)釋放具有不同效果的信息。例如，寄生蜂在白天活動(dòng)，所以白天是植物釋放SOS求救信號(hào)的時(shí)候。而在晚上，易受毛蟲侵害的植物釋放的是另一種可以阻止夜間飛蛾產(chǎn)卵的化學(xué)物質(zhì)。

植物之間的“通信”

雖然科學(xué)家早已知道植物擁有向昆蟲“盟友”發(fā)出求救信號(hào)的能力，但“植物之間也在進(jìn)行交流”的秘密直到20世紀(jì)80年代初才被鮑德溫首次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)他是美國達(dá)特茅斯學(xué)院的一名大學(xué)生，正跟隨生物學(xué)家杰克·舒爾茨一起研究樹木。

1983年，鮑德溫和舒爾茨公布了一個(gè)頗有爭議的假設(shè)：受到傷害的楓樹發(fā)出的在空氣中傳播的化學(xué)信號(hào)，可增強(qiáng)附近未受傷害的楓樹和楊樹的防御力量。他們說，植物本身也會(huì)進(jìn)行無聲的“交談”，樹與樹之間也在溝通，楓樹與其他的楓樹也在“竊竊私語”。

當(dāng)鮑德溫和舒爾茨的觀點(diǎn)首次在《紐約時(shí)報(bào)》等報(bào)刊上發(fā)表時(shí)，一些科學(xué)家很不以為然，反對(duì)之聲甚至讓兩人難以得到進(jìn)一步的研究資助。后來，迪克等人發(fā)表了一系列關(guān)于植物之間溝通交流的論文。越來越多的科學(xué)證據(jù)最終改變了人們的看法。

在過去十多年里，科學(xué)家們進(jìn)行的各種實(shí)驗(yàn)揭示了植物之間溝通交流的很多秘密。比如，遭到螨蟲侵害的棉株和利馬豆釋放在空氣中的求救信號(hào)，能提醒尚未受到侵害的植物也同時(shí)釋放召喚螨蟲的敵人的信號(hào)；柳樹、楊樹、榿木和白樺樹都在“傾聽”自己同伴發(fā)出的信號(hào)，連大麥幼苗也會(huì)“傾聽”其他麥苗發(fā)出的信號(hào)；受到傷害（無論是被毛蟲啃吃，被真菌感染，被葉螨滋擾，甚至是受到機(jī)械力的折損）的植物發(fā)出的化學(xué)信號(hào)，會(huì)立即啟動(dòng)附近未遭傷害植物的防御機(jī)制；即使是不同物種的植物也可以接收到這種化學(xué)報(bào)警信號(hào)。現(xiàn)在，還有研究人員正對(duì)土壤進(jìn)行測試，以了解植物是否也從它們的根部系統(tǒng)釋放這種化學(xué)報(bào)警信號(hào)。

科學(xué)家指出，我們正逐步認(rèn)識(shí)了解到，植物受到害蟲侵犯做出的反應(yīng)，與動(dòng)物機(jī)體對(duì)于病原體感染做出的反應(yīng)相似，甚至完全相同。

對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的啟示

研究發(fā)現(xiàn)，植物面對(duì)蟲害的反應(yīng)不盡相同，植物究竟會(huì)采取怎樣的應(yīng)對(duì)措施，取決于它們的生長期、營養(yǎng)狀況，以及它們的“意愿”——是生長還是防御，是繼續(xù)生長還是繁殖后代?？茖W(xué)家指出，從野生植物中獲取的這些信息，將有可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的真正的革命性變化。

在今天，農(nóng)民為了土地高產(chǎn)，對(duì)馴養(yǎng)植物大量使用農(nóng)藥，卻往往因此令植物失去了天生的化學(xué)防御機(jī)制，在遇到蟲害或其他危害時(shí)，它們幾乎喪失了發(fā)出化學(xué)求救信號(hào)的本能。研究發(fā)現(xiàn)，野生棉株在遭到危害它們的毛蟲侵犯時(shí)，發(fā)出召喚“盟友”寄生蜂前來解救的信號(hào)強(qiáng)度是人工雜交植株的10倍以上。

迪克指出，人類在選擇人工栽培的作物品種時(shí)，主要考慮的是產(chǎn)量和抗病蟲害等特性，但很少考慮植物的生物控制特性，而后者對(duì)于無害于環(huán)境的病蟲害防治來說卻是至關(guān)重要的。在植物的自然生存環(huán)境中，不僅有昆蟲和草食動(dòng)物，也有眾多的昆蟲和草食動(dòng)物的天敵。人類在農(nóng)業(yè)耕種中所采取的簡單處理方式，導(dǎo)致害蟲天敵的數(shù)量日益減少。因此，我們?nèi)绻氤浞掷弥参锏纳锟刂铺匦?，就?yīng)該為植物創(chuàng)造良好的“勞動(dòng)”條件。

現(xiàn)在，一些研究人員已經(jīng)開始利用植物的溝通交流特性，通過巧妙的安排，讓害蟲遠(yuǎn)離農(nóng)作物。例如，東非一種螟蟲的毛蟲大肆啃噬玉米和高粱，于是人們?cè)谟衩缀透吡坏乩锓N上糖蜜草，糖蜜草發(fā)出的在空氣中傳播的化學(xué)物質(zhì)能夠起到驅(qū)趕螟蟲的效果，同時(shí)還能吸引來毛蟲的天敵寄生蜂。與此同時(shí)，人們還在玉米和高粱地附近種植螟蟲喜歡吃的植物，以將害蟲吸引過去，讓它們遠(yuǎn)離農(nóng)作物大田。這種做法在一定程度上仿效了園丁的做法——有經(jīng)驗(yàn)的園丁知道，將某些植物搭配種在一起，對(duì)于植物生長會(huì)起到很好的效果。

鮑德溫發(fā)現(xiàn)，野生煙草植物可發(fā)出許多不同的化學(xué)物質(zhì)來吸引那些“口味”多樣的昆蟲——毛蟲卵、葉螨和盲蝽象等，都是它們喜愛的食物。重現(xiàn)大自然的生態(tài)系統(tǒng)可能并不那么容易，但科學(xué)家希望他們的研究可以將以自然為本的病蟲害防治方法方便地應(yīng)用到許多植物品種上。