几十年后，查尔斯·达尔文在HMS比agle号上的旅程之后，对植物生长和运动的方式产生了兴趣。植物像螺旋形状扭曲和旋转。现在，150多年后，研究人员可能最终揭开了这一谜团。
在最近的一项研究中，来自美国和以色列的物理学家潜在地揭示了生长植物中一种迷人行为的原因，这一谜团在查尔斯·达尔文晚年时吸引了他的注意。
对于许多人来说，植物似乎是固定不动且有些无趣的。然而，它们实际上相当活跃。例如，如果你观察一段向日葵幼苗从地面冒出的延时视频，你会发现它并不是单纯向上生长。相反，随着生长，向日葵的顶部会旋转，扭曲成螺旋形，整体上缓慢移动。
研究团队由CU Boulder的Orit Peleg和特拉维夫大学的Yasmine Meroz领导，他们发现这些看似混乱的运动是有着重要目的的，称为“环绕运动”。通过温室实验和计算机模拟，他们展示了向日葵利用这些运动探索周围环境以寻找阳光。
“许多人忽视植物的运动，因为作为人类，我们常常在不正确的帧率下观察它们，”合著者Peleg指出，她是BioFrontiers研究所和计算机科学系的副教授。
这项研究的结果于8月15日发表在期刊Physical Review X.
这些发现最终可能帮助农民制定创新技术以优化作物布局。
“我们的团队经常研究昆虫群体和其他动物群体的社交行为，”首席作者Chantal Nguyen，BioFrontiers的博士后研究员说道。
“然而，这项研究特别令人兴奋，因为我们在植物中观察到了类似的动态，而植物通常是固定不动的。”
达尔文对黄瓜的观察
Nguyen进一步解释说，植物不像动物那样四处移动。相反，它们随着时间的推移向各个方向生长。这种行为在达尔文探险之后的很长一段时间内都令他感到好奇，历史记录中有提及。
在1860年代，达尔文在处理各种健康问题的同时，限制了自己的活动，因此他在家中花时间研究植物。他种植了黄瓜和其他种类的种子，仔细记录着它们顶部的运动，日复一日，结果形成了看似混乱而随机的地图。
“观察我的蔓藤让我感到非常愉快——这正是我喜欢的吸引人工作的类型，”他在1863年写信给朋友说。
尽管他对此充满了兴趣，但达尔文无法确定为什么某些蔓藤会扭曲。
这种困惑也引起了物理学家Meroz的兴趣。一项2017年的研究将她引向了正确的方向。来自布宜诺斯艾利斯大学的研究人员发现，向日葵在紧凑空间中生长时，会以之字形排列，类似于拉链的齿。这种排列方式可能使植物集体最大化它们对阳光的暴露。
Meroz开始思考植物运动是否可能是影响这种生长模式的一个关键因素。
“对于攀爬植物来说，很明显它们需要寻找可以缠绕的支撑物，”植物科学和粮食安全专家Meroz说道。“但对于其他类型，导致这种运动的原因并不明显。”
跟随太阳
为了进一步调查，Meroz和她的同事们在行列中种植了五株一周大的向日葵，并像达尔文一样追踪它们一周的运动。
随后，Nguyen和Peleg创建了一个计算机程序以解码向日葵的生长模式。他们还利用模拟探索各种运动情景——无论向日葵是随机扭动还是有规律地运动。
结果很有趣：如果数字植物根本不动，它们会一直呈直线远离彼此。而如果它们过于扭动，便会以一种不规则的方式生长。然而，只有适当程度的随机数，它们形成了之字形，这在真实的向日葵中显著改善它们对阳光的获取。Nguyen指出，植物似乎是在进行环绕运动以找到最佳的光源，然后向其生长。
“引入一点随机性使植物能够探索其环境，并采用有助于增强光照暴露的配置，”她解释道。“这自然会导致我们观察到的独特之字形模式。”
展望未来，研究人员计划调查向日葵在更复杂排列下的行为。Meroz表示，看到植物因其动态性而受到认可让她感到满意。
“如果我们生活在与植物相似的节奏中，你可以在一条街上闲逛，看到它们在动，”她评论道。“也许我们甚至会把植物视为宠物。”
