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植物內建計算機

一直以來,談到植物,我們大多是著眼於它們的產物:種籽、花、果實、根、塊莖、木材,甚至是氧氣。如今,人們逐漸對於植物本身感興趣,例如:當環境產生變化,植物會如何因應,而這又是如何進行的。在過去的印象裡,植物總被借來比喻、形容較無生氣、平淡的樣子,以「木」字為例,植物缺乏行動能力,常被用來形容反應欠靈敏、遲鈍,例如「像塊木頭似的」、「木訥」;或是「木然」、「麻木」,形容受到刺激也無動於衷的樣子。但是植物的這種形象現今已經改變,事實上,和動物一樣,植物具有多種感覺能力,植物間能夠互相傳遞消息,特別是在出現危險需要防禦的時候。

«植物的夜間模式»

我們知道植物能夠表達,如今,我們還知道他們甚至會計算!在今年6月25日出刊的eLife 雜誌披露了這個最新發現,這份報告來自英國的研究中心 John Innes Centre,這是一個以植物學與微生物學為重點的研究機構。

如同我們從學校裡的基礎教育學到的,植物行光合作用,利用從陽光裡取得的光能,藉由捕捉、消化與吸收大氣中二氧化碳的碳,用以合成生存所需的有機物質。

然而,植物並非無時無刻都在工作,夜裡沒有陽光,便無法取得光能,但植物在夜裡並不是停止生長,而是吸收他們白日工作時儲存下的碳水化合物(例如澱粉),從中獲取養分,好供給本身新陳代謝與生長所需。

以阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana,一種在植物學上被廣泛研究的模式植物)為例,白日時半數的碳會被消化並儲存到葉子內部的澱粉顆粒裡,並且在晚上消耗殆盡(95%),即使研究人員刻意調整了日照時間,使夜晚的到臨提前或是延後,這個消耗率95% 的數字仍維持不變。

注意到這個現象的研究人員,提出一個假設:在阿拉伯芥的內部,存在一個計算機制,它先計算出澱粉存量,然後計算距離破曉剩餘的時間,接著將第一個值除以第二個值,用以計算澱粉被消耗殆盡前應該採用的速率。

他們的想法是,植物在每一個晚上都在安全範圍內(最後剩餘5%)用最大的消耗速率消化醣類存糧。另一個可能的推測:植物在夜裡隨著時間推進,調整消耗的速率。在第一個假設裏,存糧消逝的速率是個常數,第二個假設裏,這個速率將在一條時間線上不停變動,有加速或是減速的可能。

«其實它們都知道,沒那麼好騙!»

為了證實這個假設,生物學家們做了很長一系列的實驗,以下簡單說明部分內容。首先,他們改變了夜晚的長度(植物們原本習慣12 小時白晝與12 小時夜晚的生活環境),白晝的長度分別被調整為8、12、16 小時,於是夜晚的長度變成16、12、8 小時。每一次調整,阿拉伯芥都能夠立刻因應新狀況調整自己,在夜晚結束的時候留下5% 的存糧,而且存糧的消耗速率是常數,也就是說存糧的遞減是線性的。值得注意的是,這條線的高低,取決於夜晚的長度,及白日儲下之澱粉的存量。

這個實驗結果顯示,植物除了做一次除法運算之外,還會執行一次減法運算。事實上,根據植物的內部時鐘(horloge interne),它知道兩次黎明之間應該相隔24 小時,如果夜晚不是在白晝開始的12 小時後降臨,而是突然提早於8 小時後降臨,它有能力算出夜晚新的長度是16 小時,不再是原先的12 小時,並且同時調整消耗速率好適應新的夜長。

研究人員(有點沒人性地)嘗試了另一種較為激烈的研究方式:日照時間不變,減弱光的亮度,藉光能的減少來削減能夠製造出的澱粉量。植物們雖然的確因此合成了較少量的醣類存糧,但於夜晚進行的穩定線性消耗則沒有被擾亂。

另外,他們還使用了一阿拉伯芥的突變種來進行實驗,此突變種的生理時鐘異常,它「認為」一天只有21 小時,在實驗過程中我們注意到,從黎明前三小時開始,也就是它認知的一天已經結束之後,由於天還沒亮,它仍持續用原有的速率消耗存糧,就和其他正常的植物一樣,但由於一開始它認知的資訊就是錯誤的,於是它計算失誤,在夜裡耗盡了所有的儲備糧食。

為了鑽更深的牛角尖(或者說更確定這研究結果), 研究人員繼續嘗試新的實驗方式,這一次他們在夜晚時段裡插入一段光照期,想知道黑夜的暫時消失會不會讓植物的內部時鐘重置歸零,但結果使他們失望了,即使植物在插入的光照期裡的確重新開始工作累積存糧,但它並沒有掉入陷阱,恢復夜晚狀態之後,它會計算接下來還剩多少屬於黑暗的時間,並且用更熱烈的新節奏運轉,好消化剛才多儲備下的存糧!

«到底植物是怎麼進行計算的?»

植物內部的這種運算機制是怎麼運作的,仍然有待我們去了解。毫無疑問的,這個問題無關真實機器,也不是如我們理解的那樣,是一個出於意識的計算。

研究人員推測,在兩種不同的分子間,存在一種相互的化學作用。第一類分子的濃度提供給植物作為距離天亮還有多少時間的判斷;另一種分子的濃度變化和儲糧的存量呈正比。在植物處於沒有其它能量來源的時候,這兩種分子間的相互作用控制它決定要用甚麼速度來消耗存糧。

«在動物體內也有類似的計算機»

研究人員強調,這種化學機制也能在候鳥身上看見,這個錙銖必較的精確庫存管理機制讓牠們可以平安回到繁殖地。

皇帝企鵝身上也有類似的狀況,這種不能飛的鳥類有一個瘋狂的行為:「在南極洲嚴酷的冬天繁殖下一代」,母企鵝生下蛋後,將蛋轉移到公企鵝的腳上,然後出發到海裡捕獵食物,這段時間企鵝爸爸只能在沒有進食的狀態下耐心等待。如果幾個星期後(此時企鵝爸爸已經挨餓超過一百天了),而牠的伴侶還沒有回來,將會啟動一個內在的警鈴,告訴牠身體裡儲存的能量與時間所剩不多,僅夠它挽救牠的皮膚(或者更確切地說,牠的羽毛),遺棄牠的小孩任其在冰天雪地裡死亡,然後走過幾十公里路到海裡覓食,這是一個殘酷的計算,但卻是為了生存的必要。

參考新聞與資料:

本文轉載自 Taiwan EU Watch 臉書專頁

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活躍星系核

活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。