特拉维夫大学和科罗拉多大学的研究人员证明，密集种植的向日葵会随机移动以避免互相遮挡，从而有效地最大限度地发挥它们的集体光合作用。这一发现为植物行为和旋转运动提供了重要的见解。
一项研究表明，密集种植的向日葵采用随机运动来确保最佳地捕获阳光，突出了回旋运动在植物生长和相互支持中的作用。
特拉维夫大学的一组研究人员发现，在茂密环境中生长的植物可以通过固有的随机运动（称为回旋运动）来优化阳光捕获并最大限度地减少相互遮蔽。这项与科罗拉多大学博尔德分校合作进行的研究揭示了这些运动在集体层面上增强光合作用的重要性，解决了达尔文最初观察以来的一个长期存在的科学难题。
了解植物运动和生长模式
“先前的研究表明，如果向日葵密集种植在相互遮荫的田地中，它们会以之字形生长——一个向前，一个向后——这样就不会被彼此遮住。这样它们就可以并排生长，最大限度地利用太阳的光照，从而在集体层面上进行光合作用。事实上，植物知道如何区分建筑物的阴影和叶子的绿色阴影，”首席研究员、特拉维夫大学怀斯生命科学学院植物科学与食品安全学院的 Yasmine Meroz 教授说。
Yasmine Meroz 教授
“如果它们感觉到建筑物的阴影，它们通常不会改变生长方向，因为它们‘知道’这不会产生任何影响。但如果它们感觉到植物的阴影，它们就会朝着远离阴影的方向生长。”
在最近发表在《物理评论 X》上的这项研究中，研究人员调查了向日葵如何“知道”以最佳方式生长（即最大限度地为集体捕获阳光），并分析了实验室中向日葵的生长动态，它们呈现出锯齿状的图案。梅罗兹教授和她的团队在高密度环境中种植向日葵，并在生长过程中拍摄它们，每隔几分钟拍摄一次照片。然后，这些照片被组合成一部延时电影。通过跟踪每朵向日葵的运动，研究人员观察到花朵在“跳舞”。
向日葵运动的科学发现
据研究人员称，达尔文是第一个认识到所有植物在生长时都会表现出一种周期性运动（“回旋”）的人——茎和根都表现出这种行为。但直到今天，除了少数情况，如攀缘植物，它们会以巨大的圆周运动生长以寻找可以抓住的东西外，人们还不清楚这是人工产物还是生长的关键特征。为什么植物会投入能量向随机方向生长？
向日葵的回旋运动的含义
Meroz 教授解释道：“作为研究的一部分，我们进行了物理分析，捕捉了向日葵群体中每朵向日葵的行为，我们发现向日葵会‘跳舞’以找到最佳角度，这样每朵花就不会遮挡邻居的阳光。我们对这种运动进行了统计量化，并通过计算机模拟表明，这些随机运动被集体使用以最大限度地减少阴影量。同样令人惊讶的是，向日葵的‘步伐’分布非常广泛，范围超过三个数量级，从接近零位移到每隔几分钟向一个方向或另一个方向移动两厘米。”
植物动力学的结论和观察
最后，Meroz 教授补充道：“向日葵植物利用了这样一个事实，即它既可以使用小而慢的步伐，也可以使用大而快的步伐，从而找到集体的最佳安排。也就是说，如果步伐范围较小或较大，这种安排将导致更多的相互遮蔽和更少的光合作用。这有点像一个拥挤的舞会，每个人都在跳舞以获得更多空间：如果他们移动太多，他们会干扰其他舞者，但如果他们移动得太少，拥挤问题将无法解决，因为广场的一角会非常拥挤，而另一边却空无一人。向日葵表现出类似的交流动态——对邻近植物阴影的反应，以及不受外部刺激的随机运动。”
参考文献：Chantal Nguyen、Imri Dromi、Ahron Kempinski、Gabriella EC Gall、Orit Peleg 和 Yasmine Meroz 撰写的《嘈杂的回旋运动促进向日葵自组织的避荫》，2024 年 8 月 15 日，Physical Review X。DOI：10.1103/PhysRevX.14.031027 （By Tel-Aviv University）
