植物的智能(上篇)

Jon Lieff博士從事神經精神病學臨床醫療和神經科學研究四十多年，興趣從人腦擴及整個自然界包括動物、植物、微生物等的認知能力(intelligence)，本文譯自 “心靈的探索”(Searching for the Mind)部落格，Jon Lieff博士所撰寫的Plant Intelligence Primer and Update 2015,January 4, 2015，現分成上下篇登載於此，以和種菜同好分享。

前言

自從亞里士多德(Aristotle)以來，許多科學家都把植物視同機器人而非充滿活力的智能生物，達爾文(Darwin)並不贊同這個觀點，因而出版一本有關智能植物移動的書籍，他稱植物的根就是腦。最近愛丁堡大學(University of Edinburgh)榮譽教授安東尼崔瓦沃斯(Anthony Trewavas)彙整當今有關植物智能的資訊，撰寫完成一本名為”植物行為和智能”的傑出著作，本文描述的智能植物行為在該書中有更為詳盡的紀載。

現在我們已經明白植物能夠感知其它植物、微生物和周遭環境，也能夠彙整大量資訊而蓄意改變它們自己、鄰居和附近土地以利於自身和家族。它們不但具有短期記憶甚而經年不忘，而且彼此之間，以及和許多或敵或友的微生物之間能夠進行充分溝通。它們根據所接收和彙整的資訊即可從事複雜的防衛性措施，植物尚能計算氧氣和光線的數量以在必要時進行調整。定義植物智能的一個困難點在於它們行為變動緩慢，如今利用縮時錄影照相技術(time-lapse video photography)，植物行為已可觀察入微。

根是植物的腦嗎?

最近發現有關植物根許多引人注目的行為，使得達爾文認為根是植物的腦此一獨創性想法更具說服力。根帽是植物收集有關知覺資訊及引導根部在土壤或其他環境中移動路線的一種器官，它感知光線、氧氣、營養物、化學物質、酸鹼值、濕度和重力，而位於根帽後方的分生組織(meristem)能夠迅速產生新細胞以使根部生長。其次則是稱為過渡區(the transition zone)的神祕中心，能夠產生強而有力的荷爾蒙(hormone)、生長素(auxin)，並為電子訊號的一個來源，再後則是細胞以各種不同形狀拉長或彎曲的區域。

過渡區能夠產生囊泡運送生長素，讓人聯想起神經遞質(neurotransmitter)的作用，它調節植物的生長和方向，囊泡也如同神經遞質可以重新循環，這個區域也像人腦使用了大量不成比例的能量。質言之，根帽屬感知系統，過渡區似腦，延伸區(elongation zone)則似肌肉以便植物移動。

所有根細胞都能發出電子訊號，經常是透過一條非常巨大的類似神經元軸索之篩管(phloem vessels)進行，這個篩管通道從新芽連結到根端。和腦更相似的還包括植物也會產生血清素(serotonin)、伽馬氨基丁酸(GABA)、褪黑素(melatonin)等神經遞質，影響人體內這些神經遞質的藥物也會影響植物體內該等分子的移動，若封阻血清素和褪黑素的效用，根部系統將變得混亂不堪。

根展現許多智能行為，當遇到岩石或障礙物之前，根時常彎取並圍繞它們生長。此外，植物只在被同類圍繞時才會抑制其根部以讓同類生長，反之反是。

根部結構和聰明的規劃

最近研究觀察到根和新芽之間的溝通以決定植物未來生長所需的氮之數量及精確的根部結構，氮是植物從土壤或微生物工廠獲取的重要限制性營養物，植物必須協調其整個生命週期所需氮之數量，以及維持成長所需建立的特定根部結購，植物利用根和新芽之間的精密溝通以改變根部而取得最大量的氮。

溝通始於根以一縮氨酸 (peptide) 訊號察知植物周邊區域不足的氮並將該資訊傳送到新芽，新芽則以一回傳訊號說明其成長計畫，根接收回傳訊號之後，即可決定在具有較多數量氮的區域建立其他根部結構。

不同環境下許多聰明的根部結構

植物針對特定環境會在地下和空中建立不同的根部結構以吸收水分和營養物並儲存供做未來食物，根部尚可固定和支持植物並傳送諸如細胞分裂素(cytokinin)等訊號以指示植物新芽的生長速度，它們也能和真菌、細菌等菌類建構共生關係以製做氮工廠。

根能察覺光線和重力，朝向富含礦物質和水分的區域生長並遠離乾躁區域，它們也能感知氧、氮、磷、硫磺、鋁、氯化鈉等。

根是相當強而有力的，它們可以使混凝土裂開、路面隆起。它們可以感知重力而使根往下、枝往上生長，只有一些長春藤植物是纏附在建築物上而屬例外。不同的根部結構乃是因應不同的環境和不同的營養物型態，而在創造枝幹型態上，根也顯現聰明的行為。

特定的荷爾蒙和訊號途徑(signal pathways)被用來協調建造根部結構，包括生長素用來萌生和引導某一個根，細胞分裂素用來調節分生組織的分裂和橫向生長，赤黴素(gibberellin)和乙烯(ethylene)則用來做其它的移動。

根具有許多不同的功能，它們在土壤底下、障礙物周邊、牆壁和樹木邊緣、水面上和空氣中建立精密的結構，它們能從土壤或空氣獲取營養物，它們甚至具有吸盤，在化學物質過低時則會形成濃密的細根叢等特殊構造以收集稀有的磷酸鹽，它們也會形成食物或水分的儲藏室。

植物的基本智能特質

目前雖然尚未完全了解根如何控制植物的功能，但已有大量的植物智能行為見諸文件，植物藉著移動、改變形狀、電子和化學訊號等對環境刺激做出反應，它們利用荷爾蒙進行發展、造型，以及因應環境變化，它們也在空氣和土壤中競用資源。

針對艱困的周遭環境，植物會計算、做成本效益決策，進而控制它們所測量出的反應，它們具有記憶、能夠學習，以及了解正面和負面經驗，它們是地域性的，並了解本身和家族與其它族群的相對關係，它們會收集整理複雜資訊並做長距離的溝通。

植物能夠測量時間，協調葉脈和附近細胞的生理時鐘，以及導管和細胞的生理時鐘，導管在夜間發生的基因活動遠較晝間為多，而細胞則相反，同時，導管生理時鐘又控制葉脈生理時鐘。

當前研究發現許多特定訊號以便植物進行決策制定，分述如下:

---植物會對每天不同時段的光線變化包括陰影、晝長、季節、生理時鐘節奏等做出反應，植物也會個別的對紫外線、綠光、藍光和紅光等波長做出反應。

---植物會以許多不同的方式(包括計算特定溫度範圍的天數)對溫度做出反應，並以許多防衛機制因應嚴寒。

---植物會對許多機械性因子包括聲音、風、觸摸、移動、抖動或其他震動等做出反應。

---植物具有精密的機制對水的各種狀況包括太少、太多和鹽分等做出反應。

---植物以各種方式包括促使根往下生長、枝芽往上生長、枝幹彎曲、枝幹重量等對重力做出反應。

---植物能夠決定土壤的許多性質包括根部的障礙物、土表結構，以及土中元素如黏土、沙粒、石頭等。

---植物會對電反應並釋出電子訊號。

---植物可以感知和辨識空氣中化學物質如氧、二氧化碳、一氧化氮、水氣等的差異，它們也會幫助附近的植物和根，以及捕食性動物做出反應。

---植物可以感知和辨識許多化學物質及其性質包括酸性、鹼性、除蟲劑、鈣、重金屬、鉀、硼、氮和磷等。

---植物會對周遭環境和空間做出反應，有時會參與環境的重建工程例如土坡的建立，它們也可以察知附近植物並做出反應。

---植物可以察知它們的親戚並做出不同的反應。

(待續)