植物生长时为什么会扭动？科学家解开令查尔斯·达尔文困惑的千古之谜

在一项新的研究中，来自美国和以色列的物理学家可能已经弄清了植物生长过程中的一种古怪行为–也是查尔斯-达尔文本人在其生命的最后几十年里所好奇的一个谜：对于许多人类来说，植物可能看起来静止不动，甚至有点无趣。但实际上，绿色植物经常移动。

例如，如果你观看一段向日葵幼苗从土壤中探出头来的延时摄影视频，它并不只是笔直地向上生长。相反，在向日葵生长的过程中，它的花冠会转圈、扭成螺旋状，总之，会扭来扭去–尽管非常缓慢。

现在，中大博尔德分校的奥里特-佩雷格（Orit Peleg）和特拉维夫大学的亚斯明-梅罗兹（Yasmine Meroz）共同领导的研究人员发现了这些混沌运动的一个作用。在温室实验和计算机模拟中，研究小组发现向日葵利用环行运动在周围环境中寻找阳光。

这项研究的共同作者、生物前沿研究所和计算机科学系副教授佩雷格说：“很多人并没有真正考虑过植物的运动，因为作为人类，我们通常是以错误的帧频来观察植物的。”

研究小组于 8 月 15 日在《 物理评论 X》杂志上发表了他们的研究成果 。这些发现有朝一日可以帮助农民提出新的战略，以更高效的方式种植各种作物。

"我们的团队在昆虫群和其他动物群体的社会互动方面做了大量工作，"第一作者、生物前沿公司博士后研究员阮昌涛（Chantal Nguyen）说。“但这项研究特别令人兴奋，因为我们在植物中也看到了类似的动态。它们扎根于大地”。

Nguyen 补充说，植物通常不会像动物那样移来移去，而是随着时间的推移朝着不同的方向生长。根据历史记载，达尔文在贝格尔号上航行归来后，这种现象一直令他着迷。

19 世纪 60 年代，当时身患多种疾病、行动不便的达尔文花了好几天时间在家中观察植物。他种下黄瓜和其他物种的种子，然后追踪它们的植株每天是如何移动的–由此绘制的地图看起来狂野而杂乱无章。

1863 年，他在给一位朋友的信中写道：“我对我的卷须感到非常有趣–这正是适合我的那种令人头疼的工作。”

无论是否感到有趣，达尔文都无法解释为什么他的一些卷须会扭曲。这个谜团也困惑着物理学家出身的梅罗兹。2017 年的一项研究为她指明了正确的方向。在这项研究中，由布宜诺斯艾利斯大学领导的科学家们在狭窄的条件下种植了成行的向日葵。他们发现，这些植物自然而持续地排列成"之"字形，就像拉链的齿一样。这种排列方式可能有助于植物群体最大限度地吸收阳光。

梅罗兹想知道，植物的摆动会不会是驱动植物生长这种模式的引擎。

植物科学和食品安全教授梅罗兹说：“对于攀援植物来说，很明显是要寻找可以缠绕的支撑物。但对于其他植物来说，还不清楚为什么值得这样做。”

为了找出答案，她和同事们将五株一周大的向日葵种植成行。然后，像达尔文一样，他们绘制了植物在一周内的移动图。

接下来，Nguyen 和 Peleg 开发了一个计算机程序来分析向日葵生长背后的模式。研究人员还可以利用他们的计算机模拟，看看向日葵移动得多或少会发生什么情况，换句话说，了解它们是胡乱摆动还是以缓慢而稳定的模式摆动。

研究小组发现，如果数字植物完全不摆动，它们就会在一条直线上相互倾斜。相反，如果摆动幅度过大，它们就会以随机模式生长。然而，如果它们的摆动恰到好处，向日葵就会形成明显的"之"字形，而在现实生活中，"之"字形为植物提供了大量的阳光。阮解释说，植物似乎在环绕寻找最佳光照的来源，然后朝那个方向生长。

她说：“当你在系统中加入一点噪音时，它能让植物探索周围环境，并进入那些能让每株植物找到最大光照的配置。这恰好导致了我们看到的这种漂亮的之字形模式。”

在未来的实验中，研究人员将测试向日葵如何以更复杂的排列方式生长。梅罗兹则很高兴看到植物作为真正的"推动者"获得了一些荣誉。

"如果我们都像植物一样生活在相同的时间尺度上，你走在街上就能看到它们在移动，"她说。“也许我们都会把植物当作宠物。”

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