相互遮荫的植物群聚在一起跳舞以分享阳光

通常，植物生长在拥挤的环境中，邻近的植物在争夺光照的同时互相遮荫。邻居的存在随空间和时间而变化，植物已经进化出检测邻居并远离阴影生长的能力。虽然人们普遍认为这些反应有助于植物增加各自的光照，但它们如何设法找到集体有益的解决方案尚不清楚。在一项新研究中，来自特拉维夫大学和其他地方的物理学家专注于向日葵群体中由避荫介导的自发自组织模式形成。他们的分析表明，回旋运动(植物固有的运动)提供了符合有界随机游动的随机扰动。

特拉维夫大学的 Yasmine Meroz 教授说：“之前的研究表明，如果在互相遮荫的田地里密集种植向日葵，它们就会以之字形生长——一个向前，一个向后——这样就不会互相遮荫了。”

“通过这种方式，它们可以并排生长，从而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。”

“如果它们感知到建筑物的阴影——它们通常不会改变生长方向，因为它们知道那样不会产生任何影响。”

“但如果它们感知到植物的阴影，它们就会朝着远离阴影的方向生长。”

在研究中，研究人员考察了向日葵如何“知道”以最佳方式生长(即最大限度地为集体捕获阳光)，并在实验室中分析了向日葵的生长动态，它们呈现出锯齿状的生长模式。

梅罗兹教授及其同事在高密度环境中种植向日葵，并在其生长过程中拍摄照片，每隔几分钟拍摄一次。然后将这些图像组合起来制作成一部延时电影。

通过跟踪每朵向日葵的运动，研究人员发现花朵在翩翩起舞。

据作者称，达尔文首次认识到所有植物在生长的同时都会表现出一种周期性运动(回旋运动)——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，它们以巨大的圆周运动生长以寻找可以抓住的东西——人们还不清楚这是人工制品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?

“作为我们研究的一部分，我们进行了物理分析，捕捉了向日葵集体中每朵向日葵的行为，我们发现向日葵会舞动以找到最佳角度，这样每朵花就不会遮挡邻居的阳光，”梅罗兹教授说。

“我们对这一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。”

“我们还非常惊讶地发现，向日葵步伐的分布范围非常广，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。”

梅罗兹教授说：“向日葵植物利用了既能采用小步慢步，又能采用大步快步的特点，找到了集体的最佳安排。”

“也就是说，如果台阶范围较小或较大，这种安排就会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，每个人都四处跳舞以获得更多空间：如果他们移动太多，就会干扰其他舞者，但如果他们移动得太少，拥挤问题就不会得到解决，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，以及不受外界刺激的随机运动。”

研究结果发表在《物理评论X》杂志上。