花园里的植物比你想象的更聪明

西澳大利亚大学的进化生态学家莫妮卡·加利亚诺（Monica Gagliano）认为她关于植物联想学习的实验没有成功。她的团队试图找出是否可以用类似于巴甫洛夫训练狗的方式来训练普通的豌豆。但是为期两周的实验结束了，没有任何结果——至少她当时是这么认为的。

“我走进实验室拆除一切。然后我突然意识到这些植物正在做我一直在寻找的事情——而且做得非常好，远远超出我的预期，以至于我一开始根本没有看到，”她说。

加利亚诺和她的同事们首次表明，你可以用训练狗的基本方式来训练植物。巴甫洛夫的杂种狗学会了铃声意味着食物即将到来，而加利亚诺的团队则教会了花园豌豆将风扇与光线联系起来。

研究人员将幼苗放置在由管道制成的迷宫下；生长的豌豆每次走到岔路口都必须选择向左还是向右。

前三天用于训练。加利亚诺教导一组豌豆，如果风扇从迷宫的某个部分吹向它们，就会有蓝光（所有豌豆都渴望的光）随之而来。另一组幼苗被训练成当风扇吹动时，光线会出现在相反的走廊。作为对照的第三组，风扇和光线之间没有关联。

小豌豆植物学会了。“根据处理方式，植物确切地知道风扇意味着什么，”加利亚诺说。

根据涉及动物（这类实验的典型受试者）的迷宫研究，加利亚诺及其同事预计豌豆会随机生长，这是研究动物的标准假设。他们最初的模型没有考虑到豌豆有自己的系统，并且总是会朝光线生长。

“直到我看到我的豌豆在做它们的事情，50/50随机选择的标准假设才是我所能看到的一切，也是大多数科学家会看到的，因为我们自己习得的条件反射，这很有趣，”加利亚诺说。“豌豆教会我如何超越我自己的训练和条件反射假设。”

对加利亚诺来说，这项于2016年末发表在《科学报告》上的特定实验不仅表明植物可以通过联想学习——这本身就很令人震惊——而且还表明人类是多么容易低估植物。“我们是植物盲，”她说。

阅读更多：其他研究人员对加利亚诺工作的反应。

思维的根源

1880年，查尔斯·达尔文（Charles Darwin）提出植物有专门处理信息和做出关于根系生长决定的特殊细胞，类似于大脑。然而，直到1990年代，德国波恩大学的植物细胞生物学家弗朗蒂塞克·巴卢斯卡（Frantisek Baluska）才开始证明达尔文的理论。

巴卢斯卡承认他曾经也是植物盲。在他职业生涯的早期，他怀疑植物根系中的一组细胞可能很重要。直到多年后，他和同事们才发现这些细胞实际上是一种指挥中心。“这些细胞高度专业化，用于采样和处理信息，然后指导根系的生长，”他说。“它们与我们的神经元非常相似。”

从某种程度上说，植物把它们的“大脑”放在土壤里是完全合理的。土壤是一个艰难的环境。“根系在那里寻找营养是非常困难的任务，”巴卢斯卡说。“至少20个物理参数——例如温度、湿度或重金属含量——被持续采样和分析。所有这些信息都必须以某种方式处理和比较，才能做出正确的生长方向决定。”他认为我们应该把植物想象成有着与我们自己的身体结构不那么不同，只是颠倒过来的，它们的头埋在地下，它们的屁股和性器官，如花朵，伸向空中。这可能是一个令人不安的画面，但达尔文对植物也有类似的心理形象。

无论植物的“大脑”可能位于何处——如果它们确实存在的话，因为这个想法仍然存在争议——大量的行为研究表明它们比我们通常认为的要聪明得多。首先，它们会记住东西。如果你不给你的室内植物浇水，它们可能不会生气，但它们可能会记住你的过失。为了研究这种记忆，科学家们可以在他们的多叶受试者身上引发所谓的“干旱胁迫”。在2015年的一项研究中，研究人员将3周大的拟南芥（一种卷心菜和芥菜的近亲）标本从土壤中取出。他们用滤纸擦干了它们的根部所有的水，并将幼苗留在干燥环境中长达两个小时。这种处理是任何植物都不喜欢的——因此会产生压力。后来，当幼苗被放回水中时，它们不相信新发现的丰富水源，表现得好像它们已经准备好迎接另一个干旱时期：它们的叶片上的气孔部分关闭，限制了吸收水分，但也限制了在再次干旱时期的水分流失。

震撼与刺激

2014年，加利亚诺选择了一个不同的物种来研究植物记忆：含羞草（Mimosa pudica），它以其对触碰的敏感性而闻名。如果你用手指轻触含羞草的叶子，它几乎会立即合拢。她和来自西澳大利亚大学和意大利佛罗伦萨大学的同事们对含羞草植物做了比抚摸叶子更激烈的实验：他们让它们从高处坠落。研究人员让它们坠落6英寸，足以使植物合拢叶子。第一次坠落后发生了，第二次和第三次也发生了。但到了第四次，含羞草的叶子就不那么急于合拢了。经过60次坠落后，植物完全忽略了这次经历。即使一个月后，它们仍然记得被坠落是无害的，并且不会费心合拢叶子。但如果科学家们剧烈摇晃含羞草的花盆而不是让它们坠落，植物会迅速合拢叶子以保护自己免受危险，这表明并非仅仅是简单的疲劳让它们对坠落无动于衷。那是记忆。

“对这个实验的典型反应是，‘但是植物没有大脑，它们怎么能做到呢？’”加利亚诺说，“但我们不妨反过来想——它们确实做到了。所以问题应该是，‘它们是怎么做到的？’”

研究人员尚无法回答这个问题，但一些可能性正在浮现。例如，植物细胞中钙水平的波动可能以类似于动物形成长期记忆的方式留下压力的印记。

其他研究表明植物的记忆可能是表观遗传的。例如，老鼠可以通过基因表达方式的变化从父母那里继承恐惧记忆，而DNA本身没有任何变化。这可能也适用于植物。2015年，一组加拿大科学家发表了一项关于印度油菜（萝卜的亲戚，因其富含油的种子而在印度种植）植物的实验结果。研究人员反复让2周大的幼苗暴露在极端高温下——大约是灼热的107华氏度。之后，他们让受压的植物在舒适的71.6华氏度下平静生长并繁殖。但是当测试下一代的组织时，它们具有差异表达的基因——表观遗传记忆的明确迹象——尽管它们自己从未经历过高温。

植物对话

就像人类一样，植物有多种方式来了解周围环境发生的事情。如果它们不能依靠记忆来比较经验，它们总可以通过菌根网络与其他植物交流，这是一个连接植物根系的地下系统，通过交织在一起的真菌体传递信号。“这些是植物与植物之间的直接管道，就像电话线一样，”研究菌根网络的英属哥伦比亚大学森林生态学家苏珊娜·西马德（Suzanne Simard）说。

第一项明确表明植物确实通过地下网络进行交流的研究是由英国科学家在2013年完成的。他们将蚕豆植物分为三组。一些被选为广播者——它们被饥饿的蚜虫覆盖，这些蚜虫会啃食不幸的植物，摧毁它们。第二组蚕豆没有蚜虫，但通过根系网络与受攻击的植物相连。第三组是对照组，没有蚜虫，但也与另外两组分离，与土壤“电话”系统断开。通过菌根网络发送化学化合物，广播者警告第二组植物即将发生的昆虫攻击。这些植物开始产生驱蚜虫的化学物质。但断开连接的植物仍然没有意识到危险，也没有产生特定的蚜虫防御。

为了测试蚕豆是否真的通过根系进行交流，研究人员用聚酯袋覆盖了所有三组植物，阻止它们通过空气中的化学物质进行交流——这是植物交换信息的另一种方式。西马德说，下次你去森林时，深吸一口气，闻闻空气。你闻到的就是树木的语言。“我们可以了解它们的一些对话，因为许多植物用于交流的挥发性化合物都有气味，”她说。在1983年的一项经典研究中，当一些树叶受损时，它们的健康邻居会释放更多的酚类和单宁——它们的天然驱虫剂——作为回应，就好像它们自己受到了攻击一样。

显而易见的问题是，植物是否真的在说话，或者它们只是在偷听其他植物发生了什么。毕竟，如果一株被昆虫吞噬的植物正在释放防御性化学物质，而这些化学物质后来被另一株植物检测到，这并不一定意味着第一株植物有警告其他植物的意图。但以色列的科学家最近通过研究花园豌豆如何发出“干旱警报”来打消了这种疑虑。一株因缺水而受压的植物会释放出其邻居可以检测到的化学物质。这些植物通过关闭气孔（叶片上的微小开口）来应对警告，以减缓水分流失。但威胁交流链并没有就此结束。

那些收到警告的植物，即使自己没有受到压力，也会开始向更远处的植物发送即将干旱的信号，鼓励它们为艰难时期做好准备。它们这样做的原因不一定是为了利他。例如，就豌豆而言，减少对干旱的脆弱性也意味着减少对害虫的脆弱性，害虫会在植物虚弱时进行攻击。如果所有邻近的植物都健康，它们就不太可能吸引啃食叶片的访客来到该区域。所有植物都会更好。“信息直接从一株植物传递到另一株植物，并改变了它们的行为，”西马德说。“我们人类通过声带推出空气，发出声音。对于植物来说，不是空气通过声带，而是释放到空气中的碳化合物。这也是一种语言。”

而且，就像人类一样，似乎并非所有植物都说同一种语言。不同的个体将不同的挥发性化合物——“词语”——释放到空气中，这些词语组合成科学家所说的“特征”——相当于一个句子。植物之间的亲缘关系越近，它们的语言就越相似，它们之间交流也就越容易。

2014年对鼠尾草进行的实验表明，有些植物的语言以樟脑化合物为主，而另一些则释放更多的侧柏酮，巧合的是，这种化学物质被认为是导致苦艾酒致幻作用的原因。那些使用相似空中“词汇”进行交流的鼠尾草植物在相互警告饥饿害虫到来方面表现更好。更重要的是，植物从父母那里继承它们的语言——所以说相同的方言也有助于它们识别亲属。

弄清家谱

如果你是一株植物，你很有可能一生都被家人包围，无论是好是坏。“对于一株植物来说，识别亲属有两个原因，”安大略省麦克马斯特大学的植物生物学家苏珊·达德利（Susan Dudley）说。“一是避免与它们交配，二是受益于这种关系。竞争可能代价高昂。那么你信任谁呢？你的亲属与你共享基因，所以在某种程度上，它们的成功就是你的成功。这基本上是裙带关系。”在达德利的一项实验中，拟南芥植物会采样来自其兄弟姐妹根部的化学物质。一旦暴露在这些特征下，它们会抑制自身根部的生长，为其他植物留下更多资源，而如果分泌物来自陌生植物，它们则不会这样做。

植物还能通过身体形状来识别它们的亲属——它们的身体形状往往与自身相似。在2014年发表的一系列实验中，阿根廷生物学家将幼小的拟南芥（是的，科学家们真的很喜欢这种植物）种植在成排的花盆中。研究小组采用了许多不同的设置：在某些设置中，幼苗只是简单地放置在亲属或陌生植物之间。在其他设置中，研究人员将塑料滤光片放置在植物之间。而在另一些设置中，他们使用了缺少某些感光受体的转基因植物。在分析了所有数据后，研究人员能够确定幼苗通过身体形状相互识别：植物的光受体可以感知周围和反射的其他幼苗的不同模式的红光、远红光和蓝光，从而创建每株植物的轮廓。广义地想一想，就像你在人群中认出向你走来的朋友一样，即使光线刺眼，你看不清她的面部特征。对于幼苗来说，如果检测到形状相似的亲属，裙带关系就会启动：植物会将其叶子远离家庭成员生长，以避免遮蔽它。

除了相互交流、识别亲属和记住有压力的事件，有些植物甚至会数数。以维纳斯捕蝇草为例，这是一种原产于卡罗来纳州湿地的食肉植物。当苍蝇落在陷阱内部时，叶子就会关闭，植物开始消化它的猎物。2016年发表的实验表明，植物会计算猎物接触陷阱外表面感应毛的次数，最初是为了确认捕获物是会移动的，因此是可食用的。一、二，陷阱关闭。三、四、五，消化液开始流动。这种机制很简单，但却惊人地让人想起动物大脑中发生的事情：触摸感应毛会触发电信号，或“动作电位”——在动物中被称为神经冲动。

“植物可以通过简单地计算在陷阱上传播的动作电位数量，来判断是无用的死物质还是有用的动物猎物被捕获了，”德国维尔茨堡大学的电生理学家、该研究的合著者之一Sönke Scherzer说。“计数也包括某种记忆，因为植物必须记住——至少在一定时间间隔内——之前已经产生了多少动作电位。”

如果植物能学习、计数和识别亲属，我们能说它们真的会思考吗？它们是智能的吗？有意识的吗？你如何回答这些问题在很大程度上取决于你对智力或认知等概念的定义。然而，我们看待植物的方式正在改变。“几年前，在公认的期刊中你不能使用‘植物行为’这个词，但现在植物行为的概念不再有争议了，”巴卢斯卡说。

加利亚诺认为，我们倾向于不承认植物有智力，仅仅是出于习惯，因为我们大多数人仍然是植物盲：“如果你想把植物看作是永远无法有目的地做任何事情的东西，”她说，“你就会看到这种结果。”

玛塔·扎拉斯卡是一名居住在法国的自由记者，也是《肉瘾：我们250万年对肉的痴迷史与科学》的作者。

[本文最初以“聪明植物”为题发表。]