莫妮卡·加利亚诺开始研究植物行为,是因为她厌烦了做完实验就要杀死进行实验的动物。她认为植物也存在着记忆。

北京时间11月6日消息,据国外媒体报道,在世界的另一个伟大王国中,正在悄然进行一场革命……

莫妮卡·加利亚诺(Monica Gagliano)开始研究植物行为,是因为她厌烦了做完实验就要杀死进行实验的动物。现在她是珀斯西澳大利亚大学的一位进化生态学家,当她还是一名博士后生的时候,就开始将注意力转移在植物上,在实验室里有时不得不杀死实验动物,但如果将植物作为研究对象,只需取下一片叶子或者部分根茎就可以作为样本。当她将专业课题转移在植物研究上时,她仍将某些动物领域的观点带到了新研究课题之中。她很快开始思考植物是否具备类似动物的特征,或许植物存在行为方式、具有学习和记忆能力。

莫妮卡说:“开始一项研究,就像打开一个盒子,里面有许多的问题,你自然会依据线索和证据进行探索分析。有时你会发现自己像科学家伊万·彼得罗维奇·巴甫洛夫一样研究植物。”

在莫妮卡首次研究植物学习能力的实验中,她决定用研究动物的方法研究植物,她从最简单的学习形式入手——习惯性,如果一次又一次地遭受无害的刺激,它们的反应会发生变化吗?

含羞草具有几天的记忆能力

莫妮卡对含羞草(mechanical stimuli)进行了实验,它会对陌生的机械性刺激产生剧烈反应——叶片闭合,这可能是为了吓退那些急切的食草动物。在最新实验中,莫妮卡对含羞草设计了一种特殊的轨道,她将含羞草从轨道上方扔下,让它体验游乐园里的过山车,她发现含羞草对此做出的反应是叶片紧闭。但是,当莫妮卡以60次扔下为一组,重复7组之后,植物的反应发生了变化,没有多久,含羞草在跌落轨道时就毫无反应了。但这并不是因为含羞草已经疲惫不堪,但莫妮卡用手摇动含羞草时,它们还会紧紧地闭合叶片,就好像它们知道从高空抛下没有什么大惊小怪。

3天之后,莫妮卡再次回到实验室,对同一批含羞草重复进行实验,当它们从轨道上方下降时,依旧毫无反应,这些植物和之前的反应一样。这个实验结果令大家十分吃惊,在对蜜蜂等动物为对象的实验中,持续24小时的记忆就是长期的了。莫妮卡没有想到,植物能够记住几天之前的实验训练,她说:“6天之后,我再次进行这项实验,原本认为含羞草会忘记轨道体验,但是它们仍还记得,就像是跟接受了训练一样。”

当人们接触含羞草叶片时就会自然收缩起来

她等了一个月,再次进行这项实验,结果显示含羞草的叶片保持张开,依据科学家对动物实验的惯例,他们推断含羞草已表现出一定的学习能力。在对植物王国的研究中,缓慢的革命正在悄然进行着。科学家开始意识到植物具有学习能力,之前没有注意和想像到这一点。以前我们只会将动物联系在一起,依照动物实验的观点,植物会看、听,并且知晓它们所处的世界。近期一项研究发现植物胚胎中的细胞簇就像大脑细胞一样,能够帮助胚胎决定何时开始生长。

在植物可能被忽视的才能中,记忆力是最有趣的一个,有些植物的生命只有一个季节,有些植物却能存活几百年时间,不管怎样,这些植物都能够记住过去的事情,以改变它们应对新挑战的方式。但是生物学家已经证明,某些植物在特定情况下,能够存储关于它们的经验信息,并利用这些信息来指导它们的成长、发展和行为。至少从功能上讲,它们似乎是在创造记忆内容。它们如何形成这些记忆,可能会帮助科学家训练植物面对各种挑战——贫瘠的土壤、干旱、极端高温等,这种频率和强度都在不断地增加,但是科学家必须首先明白:植物能记得什么?哪些记忆最容易忘记?

“植物认知”真的存在吗?

科学家一直回避研究所谓的“植物认知”,部分原因在于它和伪科学之间的关联,1973年颇受读者欢迎的《植物的秘密生命》一书就是这种伪科学的代表。某些类型的植物记忆也被混淆,这些都是关于进化论遭受置疑的理论。其中最容易理解的植物记忆形式就是春化现象(vernalization),植物对长时间的寒冷会留有印象,这能帮助它们确定开花的最佳时机。这些植物会在秋季生长得更高,冬季处于休养状态,到了白天时间较长的春季就会开花,但是前提是植物保留着过冬的记忆。这个富有诗意的观点与争议性最大的前苏联科学家特罗菲姆·李森科(Trofim Lysenko)密切相关。

在职业生涯早期,李森科发现冷冻种子能将冬小麦变成春小麦,正常情况下,冬小麦是秋季播种,第二年春季收获;春小麦是春季播种,当年秋季收获。本质上讲,他在植物中植入一个错误的记忆,这些植物需要一个寒冷的信号才能生长。尽管李森科有这样的见解,但他仍然算不上是什么优秀的科学家。20世纪20年代末,他发表了关于春化现象的早期研究报告,前苏联政府随即开始搜寻一种农业灵丹妙药,金钱和名利充斥着这一领域。当李森科掌获权力时,针对自己当初的想法发表了一些令人愤慨的言论。他说:“春化现象可以改变所有各类的植物,其中包括:土豆和棉花,并且能大幅增加农作物产量。”

这些说法的证据并不充分,但这并不重要。1936年,李森科是前苏联政权核心机构——中央执行委员会成员之一,在政府指派哲学家的帮助下,李森科根据自己的研究提出一个理论,将马克思主义与法国自然学家珍·巴蒂斯特·拉马克(Jean-Baptiste Lamarck)的观点结合在一起。李森科认为,春化植物的后代可以继承后天习得的特性,因此通过改变环境,他可以培育比传统育种技术时间更短的农作物新品种。他的观点带来刻板的政治色彩。

美国哈佛大学退休历史学家罗兰·格拉哈姆(Loren Graham)研究分析了李森科的技术观点,他说:“李森科的理论都是基于一个原则进行的延伸,即基因并不是非常重要。李森科对于基因的存在了解甚少。”

事实上,李森科的理论被彻底推翻了,他无法培育出继承冬季记忆的新品种农作物。李森科曾承诺使前苏联的粮食产量达到历史最高,但是1946-1947年出现的大饥荒中,他的理论并未拯救这个国家。当遗传学家开始置疑李森科的理论时,李森科对他们进行了公开抨击,这一事件导致数百位科学家监禁或者迫害死亡。李森科是导致俄罗斯一代遗传学家迫害致死的罪魁祸首,他们的选择是:要么放弃自己的研究工作离开祖国;要么面对李森科的处罚。没有这些遗传学家,李森科永远不会明白自己在哪些方面是对的(植物能形成过冬记忆),在哪些方面是错的(至少这种类型的记忆无法遗传后代)。而在西方进行努力研究的一代科学家揭开了李森科自称的春化现象的真实秘密,虽然李森科声称春化现象的深入研究是自己的功劳,但从未真正地理解这一现象。

就在李森科提出其夸大主张时,铁幕的另一面科学家正在理解春化现象是如何运作的。其中最重要的实验包括德国科学家格奥尔格·梅尔彻斯(Georg Melchers)和安东·朗(Anton Lang)在实验室进行的研究,梅尔彻斯是植物发育领域的资深生物学家,而安东是一位无国籍难民生物学家,他们在一起研究春化现象,寻找开花的生物化学秘密,结果显示其秘密在于一种叫做“成花素(florigen)”的植物激素。

艺术家描绘的莨菪植物,茛菪是两年期植物,其生命周期会持续两个生长季节。第一年春季和夏季,茛菪会尽可能生长,但抑制自己开花;第二年春季,茛菪才会开花,结出乳白色的花朵,花心的紫红色沿着叶片脉落遍布整个花瓣

他们研究的对象是一种叫做茛菪(henbane)的茄科植物,一些植物到达其发育的特定时期会开花,就像青少年进入青春期开始炫耀其新出现的性特征一样,完全不顾后果。而有些植物就像暑假开始疯狂玩耍的青少年,只有接收到来自环境的信号才开花。茛菪又被称为“天仙子”,它属于后者情况,需要度过一段寒冷时期,在光照充分的情况下才会开花。与在一年时间内生长、死亡的一年期植物不同,茛菪是两年期植物,其生命周期会持续两个生长季节。第一年春季和夏季,茛菪会尽可能生长,但抑制自己开花;第二年春季,茛菪才会开花,结出乳白色的花朵,花心的紫红色沿着叶片脉落遍布整个花瓣。对于两年期植物而言,这种双重要求是有道理的,它能阻止植物在秋天开花,秋季光照情况虽然理想,但是寒冷的冬季会毁灭它们的花朵。

当科学家试图理解春化现象和白昼长度是如何协同运行使茛菪开花时,梅尔彻斯和安东探测到茛菪的冬季记忆极限。在一项实验中,他们将茛菪放在冰箱中进行冷藏,使其进行“春化”,之后再将这些植物放置在温暖的环境中,试图逆转其春化过程。冷藏一两天之后,科学家仍能对茛菪进行“逆向春化”。但是冷藏4天之后,春化已经无法逆转,事实上,这意味着每年2月份的一场温暖天气不会骗过茛菪,让它们忘记之前数个星期的持续寒冷。在另一项实验中,梅尔彻斯和安东控制白天光照时间,这种春化植物继续生长,但并未开花。即使10个月之后,他们为茛菪提供一整天的光照条件,告诉它们现在处于最佳时机,茛菪竟然还会开花,这些植物的过冬记忆持续了近1年时间。

梅尔彻斯和安东并未将春化现象描述为“植物记忆”,但是现今它是最值得研究的一个例子。这些实验表明,植物能保留过去的记忆,甚至记忆力也比人类想象中持久得多,像秘密特工一样,完全接受训练,随时等待信号进行行动。

当多数人在观看一株植物时,都很难想像它是在等待什么,植物似乎并没有长远计划,如果它们缺水,就会萎缩,如果雨水过多,它们就会振作起来,如果阳光充分照射,它们就会朝向太阳方向生长。从人类的思维角度思考,植物并没有做什么,但是仅是观察其他人和狗的行为,我们也意识不到人类和狗的记忆。当你喊他们的名字时,别人会对你微笑,狗会朝向你跑来。相比之下,对于含羞草和茛菪而言,过去的经历也会改变未来的反应,我们并未注意或者对于其原因无从知晓。

二十世纪80年代,科学家才开始首次探讨“植物记忆”,例如:当时一支法国研究小组碰巧发现,某种植物记得一侧叶片曾受过损伤,因此集中其能量朝向另一个方向生长。从那以后,科学家发现一些植物具有一定的记忆,它们会记得干旱、脱水、寒冷、炎热、强光照、酸性土壤、短波辐射,以及害虫啃食叶片等经历。当植物再次面对同样的生存压力,植物会调整自己的反应,它们可能会提高锁水量、变得对光更加敏感、增强耐盐和耐寒性。在某些情况下,植物的记忆会遗传给下一代,正如李森科所认为的那样,尽管植物记忆完全不同于他想像的方式。我们现在已经知道植物的能力被大大低估了。它们能够“听到”震动,这可能有助于识别昆虫的袭击。它们还可以通过空气和根部传播化学物质,分享信息。在有关植物形成记忆的研究中,下一步将了解它们是如何实现的。

揭晓植物记忆必须了解表观遗传学

在梅尔彻斯和安东的时代,激素是植物科学的前沿科学,发现新激素的技术也非常简单暴力:科学家先将叶片磨碎,之后分离提取植物释放的小分子,然后他们把这些激素喷洒在植物上,观看会发生怎样的变化。例如:赤霉素(Gibberellin)能够刺激植物生长。现今赤霉素喷洒在葡萄上,可使果实长得更加饱满,并且不那么紧凑。美国威斯康星大学麦迪逊分校生物化学教授理查德·阿马辛诺(Richard Amasino)教授说:“许多植物生理学研究都在寻找这种类型的信号,但是开花的信号还没有被发现,尽管许多植物在实验中都被磨碎。”

二十世纪70-80年代,植物科学家仍未找到开花的生物化学秘密,阿马辛诺说:“我刚开始搞科学研究的时候,这就是一个巨大的谜团。”为了揭晓这个谜团,揭开植物记忆的面纱,科学家需要了解分子遗传学,特别是表观遗传学,它是一种控制特定基因开关的机制。

近年来,科学家意识到基因本身无法决定一种生物体的命运,很多与DNA有关的表观遗传活动会造成一系列影响,例如:哪些遗传密码被表达,或者转化为行动。成花素(Florigen)是一种微型蛋白质,其体积太小,以至于梅尔彻斯这个年代的科学技术无法识别它们。即使他们发现了成花素,也很难揭晓关于什么因素使两年期植物开花的秘密。另一方面,阿马辛诺这一代科学家最终找到了植物记忆活动性的正常水平——表观遗传层面,并观察这一活动的过程发展。

左图是非春化植物,右图是春化植物

例如:控制拟南芥(Arabidopsis thaliana)春化和开花的机制,这种植物经常作为实验研究对象,就像以鲁布·戈德堡机械方式进行蛋白质和基因表达,拟南芥拥有一组控制蛋白质形成的基因,该蛋白质可以促使该植物开花。在春化之后,拟南芥细胞中充满第二种蛋白质——FLC,它能够抑制促使植物开花的关键基因表达。但是当植物暴露在寒冷的环境中,它的细胞将缓慢制造FLC蛋白质,直至停止下来,同时,蛋白质的平衡发生改变。拟南芥细胞开始制造越来越多的促进开花的蛋白质,直至植物准备盛开绽放。在这种情况下,最简单的方法是将表观遗传行为作为一个开关。降温对于细胞可作为一种信号,转换其基因表达,从“不开花”至“开花,开花,开花”。即使当降温的信号消失,这种开关机制仍会保持启动状态。因此,当白天时间变长,植物会知道此时应该是开花的最佳时机。阿马辛诺解释称,即使在春季和夏季,寒冷也只会保留为一种记忆。

遗忘可能是比植物记忆更强大的生存工具

植物能够暗自记忆,在它们接收到每一个重要刺激时能开启或者关闭表观遗传行为吗?这好像不太可能,2016年,一支澳大利亚植物科学家研究小组在《科学进展》杂志上发表一篇文章,他们认为,对于植物而言,遗忘(或者说根本不形成记忆)可能是一种比记忆更强大的生存工具,而且记忆(尤其是表观遗传记忆),很可能是一个相对罕见的事件。

该研究报告第一作者、美国明尼苏达大学科学家彼特·克里斯普(Peter Crisp)的工作是对植物施加压力,他和同事可能停止对植物浇水,使其处于缺水状态,之后再浇水,观察它们如何恢复。他们已证实某些植物对于干旱、低光照和食草动物的压力能够形成表观遗传记忆,并且“世代相传”。因此,克里斯普和同事对好几代的植物进行了观察,发现这些植物能否记得它们曾经历过的干旱经历,并且是否变得更加耐干旱,克里斯普说:“我们并未观察到这种现象。”

克里斯普指出,植物从压力状况下恢复的速度非常快。在今年夏季发表的一篇研究报告中,克里斯普和同事发现受到光线胁迫的条件下,植物能够很快恢复,只要获得正常护理,疏忽照料、枯萎的棕色盆栽植物也能焕发生机。目前,科学家现已报道了许多植物形成记忆的实例,在科学家发布的实验结果中,植物原本可以形成记忆,但是选择遗忘的例子却很少。该研究领域最大的一个挑战是辨别植物是否已经形成某段记忆。

当克里斯普和同事们设计实验室研究时,他们必须控制很多混淆因素,从而确定是否他们所观察到的任何植物记忆是实验室压力所形成的结果。该研究报告合著作者、澳大利亚国立大学科学家史蒂芬·艾臣(Steven Eichten)说:“不是说植物经历过什么就会说,‘噢,我记得这个!’它发生于某一化学性状,一种分子层次的变化。”

识别这种变化并将其应于实验压力是很难的,甚至当科学家知道一种记忆来自一种植物,但他们未必能够识别另一种植物的记忆。例如:这种记忆机制涉及到阿马辛诺研究的FLC蛋白质,该机制仅适用于拟南芥。甜菜和小麦具有其独特的春化现象分子机制,它们具有相同的功能,但却独立进化,该研究领域识别一段真实的记忆是非常困难的。

在他们的实验中,克里斯普和艾臣并未观测到许多植物能够形成记忆,他们置疑:植物记忆之所以如此罕见,是否是因为对于植物而言遗忘是更好的选择?

艾臣说:“形成一段记忆并对你以往环境接受的信号进行分子层面的跟踪,都是要付出代价的。由于我们并未经常观测到植物的记忆,或许植物并不希望一直记忆事物,很可能它们将能量用于其它方面。”即使当记忆形成,它们也可能消退。另一支研究小组已证实,一种植物在盐分胁迫下,可能会形成静观性遗传记忆,并将其遗传给后代。但是如果这种压力消退,记忆将随之消失。一种植物记忆太多,可能会以牺牲健康成长为代价,它们需要时刻提防干旱、洪水、盐和昆虫等威胁。或许植物会忘记那些消极的体验,而是将更多能量用于应对最糟糕的情况。

植物记忆的存在意义

我们试图通过自己的世界经验来理解植物的记忆和认知,这是不可避免的。在某种程度上,用“记忆”这个可以唤起人类的共鸣,来描述植物行为,这就是一个典型实例。艾臣说:“我们使用了‘植物记忆’,但是你能找到其它方法来描述它。但是‘半遗传性染色质因素(semi-heritable chromatin factors)’并不像植物记忆那样清晰易辨认。”

艾臣指出,有时我必须试着向我的妈妈解释自己的工作,我会说:或许这就像是一段记忆,即使你联想到人类记忆,这仍是一种抽象的概念,对吗?你可能会想到神经连接,但在日常对话中,你一想到记忆,就能对记忆产生大概的认知。这样的话,你可能就不关心记忆的本质,也不关心与其相关的特定神经元。

这与莫妮卡·加利亚诺看问题的角度十分相似,作为一名生态学家,其研究植物记忆的方法不同于分子遗传学家,她对记忆形成的兴趣比她在学习过程中要少。她说:“当然,植物是有记忆力的,我知道植物的行为是发生在意料之中的,在满足条件A的情形下,一棵植物应当可以完成事件X,既然它能够完成事件X,就证实它必须记清此前发生的事情,否则是无法完成事件X。”

叶片紧闭的含羞草并非莫妮卡研究的唯一植物,在另一项实验中,她用一个Y形迷宫培育豌豆,并测试它们能否懂得协调不同线索:风力和光线,植物朝向光线方向生长,在实验中莫妮卡添加了另一个附加线索,风扇产生的气流。对于实验中的一些豌豆,光和气流来自Y形迷宫的相同一侧,而对于其它豌豆,光和气流来自相反的方向。

莫妮卡说:“豌豆不仅要学习有用的东西,还要学习分辨哪些事情毫无意义,这两件事彼此没有关系。在含羞草实验中,只需搞清楚一件事情,跌落意味着什么?而在豌豆实验中,则必须考虑两个重要因素——风扇和灯光。”

对这些豌豆训练之后,莫妮卡挡住了光线,当她将风扇转换至Y形迷宫另一侧后再次打开,希望观察是否豌豆已经学会协调气流和光线,或者在没有光线照射的情况下,豌豆是否足够健康,并对微风刺激做出反应,或者将风扇转至另一个方向,也没有光照信号。结果显示,受过训练协调气流和光照的豌豆朝向风扇方向生长;受过两种刺激训练的豌豆则背朝风扇方向生长。

她说:“在这种情况下,记忆实际上并不是一个有趣的问题,植物当然都有记忆了,不然训练怎么会有效呢?记忆是学习过程的一部分,但是负责学习的是谁?学习过程中会发生什么?到底是什么因素将气流和光线联系在一起?”

这表明莫妮卡使用了“谁”这个词,许多人不太可能用这个词指植物。尽管植物有生命,但我们还是倾向于认为它们不是动态、会呼吸、会生长的生物,我们将其看作是对简单刺激做出反应的机械性行为。但在某种程度上,地球上所有生命都是这样的,它们是化学物质和电信号的结合体,能与所处环境进行交互。记忆是一系列外部刺激留下的生物化学标记,例如:2016年夏季沙滩度假时感受到的热浪。几个月寒冷冬季产生的一种植物表观遗传记忆从本质上与夏季热浪记忆是差不多的。

【编辑：朱艳琳】