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如何破解植物发出的信号

时间:2013-10-20 08:24:01  来源:  作者:

 植物运用分子编码发出求救信号,抵御天敌,互相救助

昆虫学家理查德·卡尔班知晓如何使蒿属植物之间产生交流对话。为了让这些植物进行交谈,他假扮成一只蝗虫或是一只靠咀嚼进食的甲虫——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——“很多小咬痕。”

几个月后,加利福尼亚大学的卡尔班教授和研究植物防御通信的戴维斯一起回去查看这些植物,发现它们的很多叶子已经被真的蝗虫和甲虫破坏了。但是,生长在他们的实验植物周围的蒿属植物却躲过了那群饥饿的昆虫的蹂躏。那是因为卡尔班剪叶子的行动使那些被破坏的植物相信它们正在遭受昆虫的袭击,所以它们的叶子散发出代表警报的化学物质到空气中。临近植物的叶子截获且破译了这些密码信息,因此才得以准备抵御天敌的来袭。

在我们看来,植物是沉默不语的,这只是因为我们并未觉察到它们之间的交流对话——我们才刚刚开始要窃听这些秘密谈话。植物总是在空气中释放密码信号,以便抵御昆虫的袭击和其他威胁,并在一定范围内发出警报给临近的植物。不仅如此,植物还能发放出紧急求救信号,以获取救援行动并召唤以这些入侵的昆虫为食的捕食者。

植物以化学代码进行交谈——即一种名为挥发性有机化合物(VOCs)的含碳分子。挥发性有机化合物是一种特殊的化学物质,极易在空气中挥发:光是在植物里含有的挥发性有机化合物种类就有30000种。一些挥发性有机化合物的衍生物的气味闻起来像是草药或是鲜花的味道。其他种类的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之内,植物会散发出绿叶挥发物(GLVs),这是一种我们能够检测到的物质——就气味而言,它们的味道就像是一片刚被修建过的草地的味道。

植物还能发放出紧急求救的信号,以获取救援行动并召唤以这些入侵的昆虫为食的捕食者。

人类从这些挥发性有机化合物上不能获取更多的资料,但是由植物自身所产生的分子波动却包含了许多隐蔽的信息。就像所有传输信号一样,植物间传递的信息可以被接收、破解、窃听,甚至能被截获。

植物散发挥发性有机化合物是对物理伤害或是对像昆虫唾液、呕吐物、产卵产生的液体等化学伤害做出的反应。昆虫的噬咬能激发植物体内的荷尔蒙,比如茉莉酸、乙烯,或是水杨酸,这些荷尔蒙能激活植物的防御基因。它们也可以像挥发性有机化合物那样被植物的叶子释放到空气中,以警告其它的枝叶以及附近的植物群落危险的到来。卡尔班说,尤其是茉莉酮酸甲酯——是一种具有挥发性的茉莉酸——看起来“特别起作用”。他还发现,这种植物间的交流在基因相同的植物群落间更加有效。卡尔班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,这样做的结果是,不论是这株植物其它的叶子还是临近的植物,都不能启动防御系统了。

挥发性有机化合物所包含的信息不止对于植物个体或是其同种群的植物有意义,与其不同种类的植物也可以截获其信息。蒿属植物释放的警告信息能够激活西红柿和马铃薯的防御体系。尽管如此,现在还不清楚有多少种植物能够窃取其他种类植物的信息。

另外,科学家表示植物也许不总是希望自己的信号被接收。“告诉临近的植物自己正在被侵害并不总是符合植物的切身利益。”来自布卢明顿的印第安纳大学的博士后研究员艾米·特洛布里奇如是说。相邻植物之间存在着竞争关系,有可能受侵害的一方出于友善警告了自己的邻居使其得以幸免于难,而自己却饱受伤害。那为何不管怎样植物都会发出呼救信号呢?不可避免是原因之一:植物用来抵御害虫的“化学武器”必然会泄露到空气中,因为它们是具有挥发性的——所以其他植物就会逐渐进化到能够窃取这些信息。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。被红蜘蛛噬咬的苹果树会释放出信息以吸引以红蜘蛛为食的昆虫。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召唤寄生姬小蜂来杀死这些虫卵。类似地,烟草植物在被蚜虫啃噬的时候会召来寄生红尾蜂,它们会把自己的卵产在蚜虫身上,这些蚜虫很快就会被从虫卵里孵出的幼虫给吃掉。

挥发性有机化合物所包含的信息不止对于植物个体或是其同种群的植物有意义,与其不同种类的植物也可以截获其信息。蒿属植物释放的警告信息能够激活西红柿和马铃薯的防御体系。

当植物和昆虫已经进化到能交换彼此之间的化学信息的时候,人类只是刚刚开始去破解这些密码。特洛布里奇说:“我们真的不知道这些化合物是如何被感知的。”研究人员到现在还弄不清楚植物是如何从空气中收集这些挥发性有机化合物,还有这些化合物的检测浓度为多大。他们也不知道这些分子是否可以直接被叶子表面所吸收,或是能直接从叶子的气孔进入到植物体内。但是他们确实了解,“收听”的植物为了能够启动化学防御反应,不仅要去接收这些化学信号,还要去破解它们。“仅仅是因为植物接收了这种化合物不能代表什么,”特洛布里奇说道。如果被截获的信号不能被解码,它就起不到任何作用。

不仅如此,这些信息有可能被编码到组合分子中。“卡尔班说:“当你在剪蒿属植物的叶子的时候,它们所散发出的气息包含着数不清的化学物质。”他用充满特殊纤维的塑料袋收集这些挥发性有机化合物,并用气相色谱仪进行分析。但是他还说了:“鉴别这些活性成分真的很困难。”来自内达华大学的有机化学家克里斯·杰弗瑞和化学生态学家雷诺认为为了能真正破解植物的密码系统,科学家必需同时解读整个生态系统的化学发生过程。“你在探究一个非常复杂的分子复合物,”他说,将这一现象比作我们的嗅觉。“这不是由一个单独的反应产生的单独的分子。”

为了能够真正破解植物的密码系统,科学家必需同时解读整个生态系统的化学发生过程

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