植物也有視覺？北京大學(xué)科學(xué)家提出整個植物就相當(dāng)于一個“復(fù)眼”

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太陽光既是植物的養(yǎng)分，也是影響其生長、發(fā)育的重要環(huán)境因素。科學(xué)家將植物視覺定義為植物對光的感受能力，打破了必須要有眼睛或光感受器才有視覺的“動物視覺定式”。

近日，北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院林沂研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在 Advanced Science 上發(fā)文，提出了新的植物視覺假說 —— 植物視覺功能-結(jié)構(gòu)復(fù)眼模型。此前，也有科學(xué)家利用視覺的概念解釋植物向光性等行為，但新研究是首次將植物看成一個整體研究其視覺功能。

用昆蟲復(fù)眼類比植物視覺

植物視覺是植物學(xué)和視覺科學(xué)的一個新穎的跨學(xué)科分支，其研究可以解決一些關(guān)于生命本質(zhì)的令人困惑的秘密。

早些時候，科學(xué)家觀察到植物傾向于朝向陽光的方向生長，并將這種效應(yīng)稱為向光性或“逃避陰影”。除此之外，我們熟悉的向日葵朝向太陽、牽?；ㄌ炝恋臅r候開花、睡蓮在傍晚合上花瓣等現(xiàn)象，其實(shí)都是植物視覺的表現(xiàn)。

隨著技術(shù)條件的提高，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了許多光感受系統(tǒng)（又稱光受體），可以對不同的光色作出不同反應(yīng)，如光敏色素、隱花色素和光敏素等。

2016 年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，通過基于單眼的視覺能力，就可以利用一種植物的葉子模擬另一種植物的葉子的行為。這顯然是對植物視覺的更細(xì)致的研究了。

由于人類和高級動物的眼睛具有透視功能，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，科學(xué)家在研究植物視覺的時候，會將其與低等動物 —— 昆蟲 —— 的視覺系統(tǒng)進(jìn)行比較，并試圖理清其中的演化思路。

多種昆蟲都具有復(fù)眼視覺系統(tǒng)。利用復(fù)眼，昆蟲可以獲得極大的視野，以及低像差、低失真、高時間分辨率和無限景深的畫面。而植物的分枝、卷須、樹干，甚至新長出來的枝條都有光受體，因此，在新研究中，科學(xué)家大膽地將植物視覺與昆蟲的復(fù)眼系統(tǒng)類比。

植物復(fù)眼視覺具有分層性

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家認(rèn)為不同大小的莖、枝、葉相當(dāng)于復(fù)眼的“小眼”。每個“小眼”都具有多個單元，可以分別感知紫外光、藍(lán)光、綠光、紅光、紅外光以及偏振光等。

植物本身就有分層分枝的結(jié)構(gòu)：枝干會分叉，花瓣、葉片也是一層層地生長。同樣地，復(fù)眼感應(yīng)模式也是分層的。一片葉子上的兩個相鄰的部分是一個層次，植物整體也是一個層次。

人類的眼睛感受到視覺圖像后，會利用視覺神經(jīng)將信息傳遞給大腦。同樣地，植物也有信息傳輸和處理的過程。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，植物信息傳輸?shù)倪^程也分層次，一片葉子上的兩個相鄰部分之間的溝通是一個層次，基于植物本身的分枝的信息傳遞也是一個層次。

另外，樹冠羞避（crown shyness）是一種植物生理行為，在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家觀察到了針對特定刺激，樹冠在水平、垂直兩個方向上都存在反應(yīng)。這個結(jié)果在功能上符合復(fù)眼視覺模型的全景可見性。

復(fù)眼視覺系統(tǒng)與智能算法

我們可以認(rèn)為植物的視覺系統(tǒng)是由藻類的視覺系統(tǒng)過渡而來，在這個過程中，要實(shí)現(xiàn)視覺功能的提升，就需要視覺信息傳遞和處理路徑的升級，也就是群體智能算法的優(yōu)化。

除了在這項(xiàng)研究中模擬的樹冠羞避行為，新模型在未來或許還可以解釋感知光衰減、實(shí)現(xiàn)負(fù)向光性和定位寄主植物等復(fù)雜行為。

也就是說，植物視覺功能-結(jié)構(gòu)復(fù)眼模型一方面可以追溯生物的視覺演化過程，一方面又可以為未來科技提供靈感，帶來智能算法或者仿生學(xué)上的突破。

參考文獻(xiàn)：

• https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202303399

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