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◆ 序 >> 在研究中，我发现了一组独特的基因，为植物在判断周边是光亮还是黑暗时所必需。后来我又获得了一个完全在我的研究计划之外的发现：在人类DNA中也能找到同样的一组基因。这让我大为惊异。 >> 多年之后，通过大量研究，我们现在知道，这些基因不光在植物和动物体内都存在，而且在二者体内都用来（在其他发育过程中）调节对光的反应！ >> 这让我认识到，植物和动物之间的基因差异并不像我原来想的那么大。 >> 20世纪中叶，芭芭拉·麦克林托克则用玉米揭示了基因的转座（跳跃）现象。现在我们知道，这些“跳跃基因”是所有DNA的特征，而且和人类癌症密切相关。 >> 植物并没有中枢神经系统；哪一株植物都没有脑，不能协调来自它全身的信息。然而，一株植物的各个部位仍然是紧密关联的；与光、空气中的化学物质及温度有关的信息，持续不断地在根和叶、花和茎之间进行交换，这样才能让植物更好地适应环境。 ◆ 一、植物能看到什么 >> 韦氏词典对“视觉”的定义是“眼睛接受光刺激之后，脑对光刺激进行解释，将其构建为由空间中物体的位置、形状、亮度和通常同时具备的颜色构成的图像的生理感觉”。 >> 光实际上是电磁波光谱的可见区段的同义词，是我们日常使用、易于理解的词语。 >> 这意味着光和所有其他类型的电磁信号——比如微波和无线电波——共有一些性质。 >> 光波位于这两者中间的某个位置上，其波长在0.0000004米到0.0000007米[插图]之间。蓝紫光的波长最短，红光最长，绿光、黄光和橙光则介于其间。 >> 这些就是我们能“看到”的电磁波，原因在于我们的眼中有叫作光受体[插图]的特殊蛋白质，它们可以接受和吸收这些光的能量，就像天线吸收无线电波一样。 >> 眼球后方有一层膜叫作视网膜，上面覆盖着成列成列的光感受器。 >> 视网膜上的每一处都含有对所有光敏感的视杆细胞和对不同颜色的光敏感的视锥细胞。每个视锥细胞或视杆细胞都能对聚焦于其上的光产生反应。人类视网膜含有大约1.25亿个视锥细胞和600万个视杆细胞，它们集中分布在相当于护照照片大小的面积里。这相当于一部分辨率为130百万像素的数码相机。 >> 视杆细胞对光更为敏感，可以让我们在夜间和低光照条件下视物，但看不到颜色。而因为不同的视锥细胞分别对红、绿和蓝三种光敏感，它们可以让我们在亮光下看到各种颜色。 >> 这两种不同的光感受器的主要区别在于所含的特殊化学物质不同。 >> 视杆细胞中含有视紫红质，视锥细胞中则含有光视蛋白，这些化学物质都具有特殊的分子结构，使之能够吸收不同波长的光。 >> 一旦视杆细胞或视锥细胞吸收了光，它就向脑发送信号。脑再把来自上亿的光感受器的信号处理成单一连贯的画面。 ◆ 植物学家达尔文 >> 1864年，和达尔文同时代的一位叫尤利乌斯·冯·萨克斯[插图]的科学家发现，蓝光是诱发植物向光性的主要颜色，而且植物对其他颜色的光一般都视而不见 >> 达尔文父子实验，他们确证向光性是照射到植物苗梢的结果。苗梢看到光，把信息传递给植物的中段，叫它向着光的方向弯曲。 ◆ 奇妙的光周期现象 >> 植物测量的不是白昼的长度，而是连续的黑暗时期的长度。 >> 运用这种技术，花农可以让菊花直到母亲节[插图]前夕才开花，这是让菊花在春天的繁花时节绽放的最佳时间。 >> 科学家还好奇于植物看到的光的颜色。令人惊奇的是，他们发现不管用什么植物做实验，它们都只对夜晚的红色闪光有反应。夜间的蓝色或绿色闪光都不会影响植物的开花时间，但几秒钟的红色闪光就会。植物能够区分颜色：它们靠蓝光知道向哪个方向弯曲，却靠红光测量夜晚的长度。 >> 沃伦·L.巴特勒及其同事表明，红光效应和远红光效应都由植物中的单独一种光受体引发。他们管这种受体叫作“光敏色素”（phytochrome），英文意为“植物色素”。在最简单的模型中，光敏色素就是一个光激活的开关。红光使光敏色素活化，转化为能够接收远红光的形态。远红光使光敏色素失活，转化为能够接收红光的形态。 >> 在自然界中，任何植物在白昼将终的时候看到的最后一道光是远红光，这意味着植物应该“休息”了。早晨，植物看到红光便又醒来。通过这种办法，植物能够测量在它最后一次看到红光之后过去了多少时间，借此便可以相应调整其生长。 >> 达尔文对向光性的研究中知道植物的“眼睛”在茎尖，对光做出反应的部位则在茎中部。 >> 如果把植物所有的叶子都摘除，只留下茎和茎尖，植物就看不到任何闪光了，即使整株植物都被光照也无济于事。只要单独一片叶子里的光敏色素在半夜看到红光，效果就好比整株植物都受到了光照。叶子中的光敏色素接受了光的提示，便发出一个可运动的信号，在整株植物体内散播开来，由此就可诱发开花。 ◆ 遗传学时代的失明植物 >> 我们的眼睛中有4种不同类型的光受体：感知明暗的视紫红质，感知红、蓝和绿光的3种光视蛋白。我们还有第五种光受体，叫做隐花色素，作用是调节生物钟。 >> 拟南芥至少有十一种不同的光受体：有的告诉植物何时萌发，有的告诉植物何时向光弯曲，有的告诉植物何时开花，有的让植物知道夜幕何时降临。有的让植物知道光线黯淡，还有的能帮助植物知道准确时间。 >> 在感知水平上，植物的视觉要比人类视觉复杂得多。事实上，光对植物来说绝不仅仅是信号，光还是食物。植物用光把水和二氧化碳转化为糖类，糖类又进而为所有动物提供食物。 ◆ 植物和人类一样有视觉 >> 植物可以察觉人类可见的（和不可见的）电磁波。 >> 动物和植物都含有叫作隐花色素的蓝光受体。植物体内的隐花色素不会引起向光效应，但在植物生长调控中，它可以行使其他几种功能，其中之一就是控制植物的生物钟。 >> 隐花色素这种蓝光受体，主要的功能就是根据光照来重新调节我们的昼夜节律钟。隐花色素吸收蓝光，然后向细胞发出信号，表明现在是白天。植物同样也有内在的昼夜节律钟，可以调控许多生理过程，比如叶子的运动和光合作用。 >> 植物隐花色素的主要功能也是使外界的光信号和生物钟相协调。 >> 早在动物界和植物界分道扬镳之前，在单细胞生物中就已经演化出了昼夜节律钟。这种原始的昼夜节律钟的功能很可能是为了保护细胞免受高强度紫外线辐射的伤害。 >> 包括细菌和真菌在内的大多数单细胞生物中，仍然可以发现这种相对较为简单的生物钟。 ◆ 二、植物能嗅到什么 >> 植物会嗅。植物能散发气味吸引动物和人类，这是显而易见的，但是它们也能闻到自己的气味，以及邻近植物的气味。 >> 与植物感受到的广谱视觉输入相比，植物能闻到的气味的范围是有限的，但是它们的嗅觉十分灵敏，为活着的植物体传达了巨量信息。 >> 鼻子里的嗅觉受体与化学物质接触的方式，可以用锁钥系统来类比。 >> 每一种化学物质的分子都有其特殊形状，可以和某一种蛋白质受体相匹配，正如每一把钥匙都有其特殊结构，可以和某一把锁相匹配一样。一种特定的化学物质只能和一种对应的受体结合，一旦发生这样的结合，这些化学物质就会引发一连串的信号，最后引发脑中的神经放电，使我们知道嗅觉感受器受到了刺激。这就是一种特殊气味的产生过程。 >> 不妨把嗅觉的定义略微改变一下，成为“通过刺激而感知气味或芳香的能力”。 ◆ 未有解释的现象 >> 植物觉察到空气中的乙烯，然后就软熟了。 >> 乙烯对于植物衰老尤为重要，因为它是叶片衰老（能够形成红叶的衰老过程）的主要调控因子，在正在成熟的果实中也会大量产生。 ◆ 叶子的窃听 >> 在最近十几年中，植物通过气味来通讯的现象已经在包括大麦、绢蒿和桤木在内的大量植物身上得到了反复验证， >> 从受害叶释放的气体对于这一植株保护它其他的叶子免受侵害来说是必需的。 >> 对植物来说，水杨酸是加强植物免疫系统的“防御激素”。当植物被细菌或病毒侵害时就会生产水杨酸。水杨酸可溶于水，它就从植物受感染的地方释放出来，通过维管系统到达植物其他部位，发出细菌正在入侵的信号。 >> 在有的防御过程中，植物会在感染区域周围构筑一道由死细胞组成的壁垒，阻止细菌向植株其他部位移动。有时你能在叶子上见到这些壁垒，它们看上去是一些白点。在这些白点所在的叶片区域，细胞实际上是自杀了，这样它们附近的细菌就不能向远处扩散了。 >> 从更广的层面上看，水杨酸在植物和人体内的功能是相似的。植物用水杨酸帮助避免感染（这意思就是说，植物在生病时会用到水杨酸）。 >> 当来自受感染的叶子的空气吹到未受感染的叶子之上，使它终于闻到水杨酸甲酯的时候，这片叶子就通过叶片表面微小的开口（叫作气孔）吸入这一气体。一旦进入叶片深处，水杨酸甲酯就重新转化为水杨酸，而我们已经知道，这就是植物在生病时所服用的药物。 ◆ 植物的嗅觉很灵敏 >> 我们鼻子中的嗅觉感受器直接和边缘系统（情绪的控制中心）及人脑在演化上最古老的部分相连。 >> 比如说，在密集的住所生活的女性，其月经周期会变得同步，已知这就是受汗液中的气味暗示的结果。 ◆ 三、植物尝到什么 >> 每个味蕾又含有5种味觉感受器，可以尝到5种基本味道——咸、甜、苦、酸和鲜。每一个味觉感受器都与味觉神经相连，最终连到脑中的味觉中枢。 >> 植物通过光合作用制造糖分，所用的基本材料只是二氧化碳和水，之后又把这些糖分转化为蛋白质和更复杂的糖类（碳水化合物）。 >> 植物可以给自己制造糖分，但它们仍然完全依赖外部资源获取生命必需的矿物质。氮、磷、钾、钙、镁以及铁、锌、硼、铜、镍、钼和锰这些微量元素都是植物营养的关键组分。以光合作用为例，如果没有大量镁和锰的支持，它就不可能发生。每一个绿色的叶绿素分子中央都含有镁，好比我们血液中红细胞里的每个血红蛋白分子中央都含有铁。 >> 植物能感知土壤中的矿物质，决定某种矿物质进入植物体的吸收量；就此而言，植物肯定知道它在干什么。 ◆ 饮水的植物 >> 一些植物把水用在微小的液压泵中，以便移动它们的叶子，而所有植物的叶和茎都需要水来保持直立状态。 >> 叶子卷起，茎秆打蔫。这是因为植株细胞失去了水压。 >> 植物可以在向光性运动中感知到光，在向地性运动中感知到重力 ◆ 抢水喝的植物 >> 木豚草能够保证它的根系不与属于同一物种的友好邻居相互竞争，这样就让两棵植株的根系合起来能占据土壤中的更多空间，也因此可能获取更多水分。有趣的是，如果同一棵植物自己的根彼此相遇，它们并不会停止伸长，这进一步表明木豚草可以区分自我和非我。 ◆ 植物喜欢吃的肥料 >> 第一次农业革命发生于大约1万年前，我们的祖先开始在世界多个地方栽培农作物。在植物的驯化过程中引入了新的遗传特征。 >> 第二次农业革命始于20世纪初，正是在这次农业革命中，对植物味觉的理解开始发挥作用。20世纪农作物单产的巨大提升要归功于三大技术成就——农学家培育了各种作物的高产品系；高科技灌溉方法的应用使农业对降雨的依赖程度大为减轻；化学肥料投产并得到广泛使用。 >> 第三次农业革命旨在精确控制植物所尝味道的多少。 >> “精细农业”的目标在于为具体某种作物、单块农田甚至单棵植株提供精准的种植方案。 ◆ 四、植物能触到什么 >> 止痛药的止痛原理就在于，它们能专门减弱来自痛觉感受器的信号，但不会减弱来自机械感受器的信号。 >> 人类的触觉实际上结合了躯体的两个相互独立的部分的活动——其一是感知压力的细胞，能把压力转换为电化学信号；其二是脑，处理这些电化学信号，将它们转换为不同类型的感觉，并引发躯体反应。 ◆ 捕蝇草 >> 捕蝇草不光可以通过光获得养分，还可以通过昆虫和其他小动物获得营养。 ◆ 含羞草的电运动 >> 触碰含羞草的叶子可以引发活动电位，活动电位沿着叶子辐射开来，导致小叶迅速闭合。 >> 在正常条件下，当含羞草的叶子张开时，叶枕细胞充满钾离子。相对于细胞外部，细胞内部高浓度的钾导致外面的水时刻打算进入细胞稀释它，这就让细胞壁承受了很大压力——于是叶子就硬挺起来。 >> 但电信号到达叶枕时，钾通道打开，随着钾离开细胞，水分也离开了细胞。这使细胞松垮下来。一旦信号消失，叶枕又重新把钾泵入细胞，由此引起的流入细胞的水流便使叶子又张开了。 ◆ 起负面作用的触碰 >> 布拉姆的研究表明，第一个TCH基因是编码钙调蛋白的基因。换句话说，当你触碰一株植物时，不管它是拟南芥还是番木瓜，它做的第一件事是制造更多的钙调蛋白。植物制造更多钙调蛋白的原因，很可能是为了让这些蛋白质与在活动电位下释放的钙共同行使功能。 ◆ 植物和人类的触觉 >> 植物能感受到机械刺激，可以通过独特的方式对不同类型的刺激做出反应。这些反应不是为了帮助植物避免疼痛，而是为了调节发育，以便能最好地适应周边环境。 >> 她用冰来冷却连接叶和茎的茎状结构（叫作叶柄）之后，植株仍然能察觉到这一信号。她发现冰镇叶柄可以阻止从叶到茎的化学物质流，却不能阻止电流。更何况，当她用冰冷却受伤叶的叶柄时，未被处理的叶仍然在转录蛋白酶抑制因子基因。叶子不会感到痛。 >> 番茄对炽热金属的反应不是逃离，而是警告它其他的叶子：周围环境中存在潜在的危险。 >> 叶的受损会诱发一个电信号，其传播既依赖于钙和钾之类的离子，又依赖于与人类神经受体非常相似的蛋白质，而且植物知道如何把这种信号转化为行动——制造防御性激素。 ◆ 五、植物能听到什么 >> 耳朵中的毛细胞可以传达两种类型的信息：响度和音调。 >> 响亮的声音振幅大，柔和的声音振幅小。振幅越大，静纤毛弯曲得越厉害。至于音调，则是压力波的频率产生的效果。频率和振幅无关，是每秒钟察觉到的波动次数。波的频率越快，静纤毛来回弯曲的速度越快，音调就越高。 >> 人类听觉是两个解剖学事件的结果：耳中的毛细胞接收声波；脑处理信息，使我们能对各种声音做出反应。 ◆ 聋子基因 >> 2000年是植物科学的一个标志性年份。就在这一年，全世界科学家终于得到了拟南芥基因组的完整序列， >> 拟南芥DNA的大约1亿2000万个核苷酸的顺序。这一工作花费了约7000万美元。 >> 人们发现拟南芥基因组含有好多与人类疾病和残疾相关的基因。 >> 科学家一边破解拟南芥的DNA序列，一边就发现其基因组含有BRCA基因（与遗传病乳腺癌有关）、CFTR基因（与囊肿性纤维化有关）[插图]和很多与听力缺陷有关的基因。 >> 尽管基因常常用和它们相关的疾病来命名，但并不是基因本身引发了这些疾病或机能缺陷。只有在突变导致基因不能正常发挥功能时，才产生这些疾病。 >> 所谓突变，是构成基因的核苷酸序列的改变，可以破坏DNA编码。 >> 人体的DNA编码仅由四种不同的核苷酸组成，其缩写分别为A, T, C和G。四种核苷酸的特定组合，为不同的蛋白质提供了编码。少数核苷酸的突变或删除可以导致编码发生灾难性的改变。 >> 在植物和人类中都存在的肌球蛋白基因和其他基因在细胞层次上具有相似的功能。 >> 我们需要肌球蛋白帮助内耳毛发挥正常功能，最终帮助我们具备听力；植物却需要肌球蛋白保证根毛发挥正常功能，使它们能从土壤中饮水并找到养分。 ◆ 六、植物如何知道身在何处 >> 我从未见过一棵心怀不满的树。它们紧握大地，仿佛深恋着大地；虽然根扎得很紧，却行进得和我们一样迅速。它们随着所有的风儿向着所有方向信步，像我们一样有去有来，每天和我们一起绕着太阳行进两百万英里，上天知道这空间中的穿梭是何等快速而遥远！——约翰·缪尔 ◆ 植物也能分辨上下 >> 植物的地下和地上部位是用不同的植物组织察觉重力。在根中察觉重力的是根尖，在茎中则是内皮层。 >> 人类的“重力感受器”只存在于内耳中。 >> 在外层空间中这种无重力条件下，基斯在植物身上检测不到任何向地性弯曲。这些研究为植物如此运动的原因揭示了一条引人入胜的线索：植物需要平衡石来感知重力，正如我们需要耳朵中的耳石来刺激我们的平衡感受器一样。 ◆ 跳舞的植物 >> 两个对立的假说：达尔文猜测，这些舞蹈是所有植物的内秉行为，但伊斯雷尔森和约翰森却相信是重力驱动了植物的圆圈舞。 >> 在地球遥远上空的哥伦比亚号上，几乎百分之百的幼苗都展现出旋转生长的运动形态；即使在几乎无重力的条件下，向日葵幼苗仍然像它们在地球上那样继续打着旋运动。这有力地支持了达尔文的理论。 >> 达尔文是对的——就目前所知，回旋转头运动的确是植物的内秉行为，只是这种行动需要在重力条件下才能得到最充分的表现。 ◆ 有平衡感的植物 >> 人类和植物以相似的方式对重力做出反应，都依赖感受器提供的信息知道位置，保持平衡。 ◆ 七、植物能记住什么 >> 烟草知道它们看到的最后一道光的颜色。柳树知道邻居是否已经受到了毛虫的攻击。这些例子以及其他更多的例子都展示了植物对先前事件的延迟反应，而这正是记忆的关键组成要素。 >> 托尔文提出人类记忆包含三个层次。最低层次是程序记忆，是对如何做出身体动作的非言语性记忆，它依赖于感知外部刺激的能力（比如你跳进池子之后就想起来如何游泳）。第二个层次是语义记忆，是对概念的记忆（比如我们在学校里学习的大多数课程）。第三个层次则是情景记忆，这是对过去所经历事件的记忆，比如在童年时代的万圣节舞会上看到的滑稽服装，或是亲爱的宠物去世时我们感受到的失落。情景记忆依赖于个体的“自我意识”。 >> 科学家知道神经元之间的电信号传递是记忆的形成和储存所必需的。 >> 我们具有感官记忆，（在一瞬间）从感觉那里接受并过滤迅速的输入；我们具有短时记忆，能够在意识中把大约7个左右的记忆对象保持几秒钟；我们还具有长时记忆，指的是能把记忆储存长达一辈子的能力。我们有肌肉运动记忆，这是一种程序记忆，是学习运用手指系鞋带之类运动时的无意识过程；我们还有免疫记忆——我们的免疫系统可以记住过去的感染，从而能避免新感染发生。 >> 除了最后的免疫记忆，前面这些记忆都依赖于脑的机能。免疫记忆则依赖于白细胞和抗体的工作方式。 >> 所有形式的记忆的共同之处在于它们都包括形成记忆（编码信息）、保持记忆（储存信息）和提取记忆（重新获得信息）的过程。 ◆ 捕蝇草的短时记忆 >> 德国波恩大学的狄特·霍狄克和安德烈·西佛斯 >> 通过研究，他们发现触碰捕蝇草的一根触发毛会引发一个动作电位，它可诱导捕虫器上的钙通道开启（这种动作电位引发和钙通道开启同时发生的现象，和人类神经元的通信过程类似），由此导致钙离子浓度迅速上升。 ◆ 植物也要经历春化 >> 春化在生态学上的好处是显而易见的：它保证在冬季的寒冷过去后，植物可以在春季或夏季，而不是一年里光照和温度也可以支持植物生长的其他时候发芽或开花。 >> 表观遗传真正令人惊奇的地方在于，它不仅能让记忆在一个生物体内从一个季节传到另一个季节，还能从一代传给另一代。 ◆ “记忆”也会遗传？ >> 胁迫可以引发记忆从一代传给下一代的观点得到了越来越多研究的支持，这些研究不光是植物研究，还有动物研究。 ◆ 植物也有智力 >> 卷须的缠卷、捕蝇草的闭合和拟南芥记住环境胁迫的行为全都包括三个过程：形成事件记忆，把记忆保留一定时间，在一个较晚的时间点为了专门做出某种发育反应而提取记忆。 >> 植物记忆涉及的很多机制——包括表观遗传和电化学梯度——在人类记忆中也有涉及。 >> 植物记忆就像人类的免疫记忆一样，不是托尔文所定义的语义记忆或情景记忆，而是程序记忆，也就是对如何行动的记忆；这些记忆依赖于感知外部刺激的能力。 ◆ 结语：有意识的植物 >> 医生兼植物学家的威廉·劳德尔·林德赛博士早在1876年就写道：“我发现，类似在人类身上表现出来的心智的某些特性，在植物中间也普遍存在。” >> 植物和人类都能觉察到丰富的感觉输入，但只有人类把这些输入转换成了一幅情绪图景。 >> 国际疼痛研究学会对疼痛的定义是“伴随有现存的或潜在的组织损伤，或者被描述为具有这样的损害的一种不愉快的感觉和情绪上的感受”。 >> 脑成像研究已经确认疼痛中心位于在脑干上发展出来的人类大脑深处，而科学家也相信感受痛苦的能力可定位于前额叶皮层。 >> 虽然植物和人类具有相似的感知物理世界、对物理世界产生意识的能力，但是独立的演化路线还是让人类在智力之外，拥有了一种独特的人类能力——关怀他者的能力。 2019年1月22日
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