植物是如何像人脑一样生长的

植物和大脑的相似之处超乎你的想象:索尔克的科学家们发现，控制植物生长的数学规则与大脑细胞如何萌发连接的规则相似。这项新研究发表在2017年7月6日的《当代生物学》(Current Biology)杂志上，基于植物的3D激光扫描数据，研究表明，在许多生物系统中，分支生长可能存在普遍的逻辑规则。

索尔克整合生物学中心助理教授、论文的高级作者Saket Navlakha说:“我们的项目的动机是，尽管我们在植物形态中看到了各种各样的物种，但它们是否都有某种共同的形态或结构。”“我们发现，树枝在空间中分布的变化可以用一种叫做高斯函数的数学方法来描述，这种函数也被称为钟形曲线。”

由于不能移动，植物必须找到创造性的策略来调整它们的建筑以应对环境挑战，比如被邻居遮挡。从高耸的红杉到蔓生的百里香，植物形态的多样性是这些策略的一个明显标志，但Navlakha想知道是否有某种看不见的组织原则在起作用。为了找到答案，他的团队使用了高精度的3D扫描技术来测量植物幼苗随时间推移的结构，并以数学分析的方式量化它们的生长。

”这种合作源于Saket谈话,我有他抵达索尔克后不久,”教授说,植物分子和细胞生物学实验室的主任Joanne Chory谁,是霍华德·h·和Maryam r·纽曼椅子在植物生物学,也是霍华德·休斯医学研究者和论文的合著者之一。“多亏了索尔克的创新基金项目和霍华德休斯医学研究所，我们才得以资助我们的研究。”

研究小组从三种具有农业价值的作物开始:高粱、西红柿和烟草。研究人员在植物可能自然生长的条件下(荫凉、环境光、强光、高温和干旱)，用种子培育植物。在一个月的时间里，第一作者Adam Conn每隔几天就会扫描每一株植物，以数字方式捕捉其生长情况。康涅狄格州总共扫描了近600家工厂。

索尔克研究所助理康说:“我们基本上就像扫描一张纸一样扫描这些植物。”“但在这种情况下，这项技术是3D的，它允许我们捕捉到一个完整的形态——植物如何在空间中生长和分布分支的完整架构。”

每一种植物的数字表现形式被称为点云，是一组可以计算分析的空间三维坐标。利用这些新数据，研究小组通过研究植物的枝密度函数，建立了理论上可能的植物形状的统计描述。枝密度函数描述了在植物周围空间的任意一点找到一根枝的可能性。

该模型揭示了生长的三个性质:可分性、自相似性和高斯分支密度函数。可分性意味着一个空间方向的增长独立于其他方向的增长。根据Navlakha的说法，这种特性意味着生长是非常简单和模块化的，这可能会让植物更能适应环境的变化。自相似性意味着所有的植物都具有相同的基本形状，尽管有些植物可能在一个方向上被拉伸得更大一些，或者在另一个方向上被挤压得更大一些。换句话说，植物在荫凉下生长并不比在强光下生长使用不同的统计规则。最后，该团队发现，无论植物种类或生长条件如何，分支密度数据都遵循在植物边缘截断的高斯分布。基本上，这表明植物中心附近的树枝生长密度最大，而在较远的地方，树枝的密度随着钟形曲线的变化而减小。

这些特性所显示的进化效率之高令人惊讶。尽管植物在不同的环境条件下进化出不同的生长规则是低效的，但研究人员并没有想到植物会如此高效，以至于只发展出一种单一的功能形式。他们在这项工作中发现的特性可能有助于研究人员评估转基因作物的新策略。

这篇论文的作者之一、索尔克分子神经生物学实验室(Salk’s Molecular Neurobiology Laboratory)教授查尔斯史蒂文斯(Charles Stevens)此前的研究发现，大脑神经元也具有同样的三种数学特性。“神经元乔木和植物芽之间的相似性是相当惊人的，这似乎有一个潜在的原因，”史蒂文斯说。“或许，它们都需要尽可能完全地覆盖一个地区，但要以一种非常稀疏的方式，这样它们才不会相互干扰。”