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植物也有视觉?北京大学科学家提出整个植物就相当于一个“复眼”

2023-11-11 20:22SF中文(SF)21评
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本文来自微信公众号:SF 中文 (ID:kexuejiaodian),作者:SF

植物没有眼睛,但是也可以感知光线。就像植物细胞具有全能性 —— 植物每个部位的细胞都有培育出完整植株的潜力,植物的全身都有“光感受器”,都可以感知光线,整个植株就相当于一个“复眼”。

太阳光既是植物的养分,也是影响其生长、发育的重要环境因素。科学家将植物视觉定义为植物对光的感受能力,打破了必须要有眼睛或光感受器才有视觉的“动物视觉定式”。

近日,北京大学地球与空间科学学院林沂研究员带领的团队在 Advanced Science 上发文,提出了新的植物视觉假说 —— 植物视觉功能-结构复眼模型。此前,也有科学家利用视觉的概念解释植物向光性等行为,但新研究是首次将植物看成一个整体研究其视觉功能。

用昆虫复眼类比植物视觉

植物视觉是植物学和视觉科学的一个新颖的跨学科分支,其研究可以解决一些关于生命本质的令人困惑的秘密。

早些时候,科学家观察到植物倾向于朝向阳光的方向生长,并将这种效应称为向光性或“逃避阴影”。除此之外,我们熟悉的向日葵朝向太阳、牵牛花天亮的时候开花、睡莲在傍晚合上花瓣等现象,其实都是植物视觉的表现。

随着技术条件的提高,科学家发现了许多光感受系统(又称光受体),可以对不同的光色作出不同反应,如光敏色素、隐花色素和光敏素等。

2016 年,科学家发现,通过基于单眼的视觉能力,就可以利用一种植物的叶子模拟另一种植物的叶子的行为。这显然是对植物视觉的更细致的研究了。

由于人类和高级动物的眼睛具有透视功能,结构复杂,因此,科学家在研究植物视觉的时候,会将其与低等动物 —— 昆虫 —— 的视觉系统进行比较,并试图理清其中的演化思路。

多种昆虫都具有复眼视觉系统。利用复眼,昆虫可以获得极大的视野,以及低像差、低失真、高时间分辨率和无限景深的画面。而植物的分枝、卷须、树干,甚至新长出来的枝条都有光受体,因此,在新研究中,科学家大胆地将植物视觉与昆虫的复眼系统类比。

植物复眼视觉具有分层性

在这项研究中,科学家认为不同大小的茎、枝、叶相当于复眼的“小眼”。每个“小眼”都具有多个单元,可以分别感知紫外光、蓝光、绿光、红光、红外光以及偏振光等。

植物本身就有分层分枝的结构:枝干会分叉,花瓣、叶片也是一层层地生长。同样地,复眼感应模式也是分层的。一片叶子上的两个相邻的部分是一个层次,植物整体也是一个层次。

人类的眼睛感受到视觉图像后,会利用视觉神经将信息传递给大脑。同样地,植物也有信息传输和处理的过程。科学家发现,植物信息传输的过程也分层次,一片叶子上的两个相邻部分之间的沟通是一个层次,基于植物本身的分枝的信息传递也是一个层次。

另外,树冠羞避(crown shyness)是一种植物生理行为,在这项研究中,科学家观察到了针对特定刺激,树冠在水平、垂直两个方向上都存在反应。这个结果在功能上符合复眼视觉模型的全景可见性。

复眼视觉系统与智能算法

我们可以认为植物的视觉系统是由藻类的视觉系统过渡而来,在这个过程中,要实现视觉功能的提升,就需要视觉信息传递和处理路径的升级,也就是群体智能算法的优化。

除了在这项研究中模拟的树冠羞避行为,新模型在未来或许还可以解释感知光衰减、实现负向光性和定位寄主植物等复杂行为。

也就是说,植物视觉功能-结构复眼模型一方面可以追溯生物的视觉演化过程,一方面又可以为未来科技提供灵感,带来智能算法或者仿生学上的突破。

参考文献:

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