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：

• Découverte d’une calculatrice intégrée aux plantes
• Arabidopsis plants perform arithmetic division to prevent starvation at night

本文轉載自 Taiwan EU Watch 臉書專頁