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”

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

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：

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

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