Adv Sci | 植物也有视觉？北京大学林沂研究员提出了新的植物视觉假说——植物视觉功能-结构复眼模型

植物科学最前沿 · 公众号 · · 2024-06-05 17:03

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植物没有眼睛，但是也可以感知光线。就像植物细胞具有全能性——植物每个部位的细胞都有培育出完整植株的潜力，植物的全身都有“光感受器”，都可以感知光线，整个植株就相当于一个“复眼”。

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”。

北京大学地球与空间科学学院林沂研究员带领的团队以“Visual functional-structural plant modeling innovatively as a compound eye: Opening a new way for advancing the scientific cognition of plant vision”为题在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。

植物视觉是植物学和视觉科学的一个新兴交叉学科分支，它的研究为破译某些涉及生命科学本质的秘密提供了途径，其潜在意义在于有可能改变我们对植物的科学认知，由此针对该分支方向的新兴研究构成了一段奇异的探索之旅。然而，迄今为止人们还没有弄清楚植物作为一个整体是如何协调操控它的各种视觉功能而完成“看”的。

针对这一学科空白，我们首先从理论上抽象比较了植物、低等昆虫、高等动物和人类等主要生命物种在视觉方面的相似性。鉴于高等动物和人类都拥有透视模式的眼睛，寻找低等动物如昆虫和植物的视觉相似性在逻辑上就是一个自然的选择。众所周知，很多昆虫的视觉是基于复眼，这启发我们可以用复眼来刻画植物整体的视觉模式。

由此设计的植物视觉功能-结构复眼模型如下图所示，这种理论模型可以从功能上支持关于植物呈现模仿功能的视觉基础及其解释机制的科学假设。具体来讲，植物整体的视觉可表示为一个用于模拟其视觉感应端的复眼，以及一个用于模拟其视觉反应的分层分支网络。复眼由不同尺度的“小眼”（ommatidium）簇组成，与不同大小的茎、枝和叶的集合体对应。此外，每个“小眼”可以拥有多个功能单元，它们可以分别感知从紫外、蓝、绿、红到红外和偏振等的光学特性，具体还可随后续新发现的视觉功能而扩充。

验证所提出的模型假说，面向模式的建模是一种典型的高效解决方案。在此方法框架下，多个验证模式被用作过滤器，用于剔除不合理的模型结构和参数组合，而第二套独立的模式则用于验证。具体结合复眼模型的特性，我们将该方法改进为新型的面向基本模式的建模，而涉及的基本模式则被确定为结构支撑、视觉路径和功能表现。

第一个方面结构支撑的验证，是通过对不同树种的树冠是否具有复眼特征的全向表面而进行案例测试，测试的具体方法是重新分析根据树木生长的前向传播模型而衍生的树冠侧向轮廓特征，如下图a所示。统计结果表明，模型参数值分布在其可能呈现的所有四个象限，如下图b所示，这证明可以从不同树种的树冠中检测出全向表面。这一发现可为确保所提出复眼模型的结构支撑前提奠定了基石。

第二个方面视觉路径的验证，是案例测试植物的分枝是否是传递其视觉信息和做出视觉反应的最佳方式。测试以常用的与Pareto front的距离为判断依据，如下图a所示，统计发现大量样本植物的分枝结构遵循靠近Pareto front线，如下图b所示，这可使得分枝总长度和养分运输距离最优化，对视觉信息传输和处理也同样有效，由此从植物视觉行为的角度对这一方面进行了初步验证，这可为确保所提出复眼模型的视觉路径前提打下基础。

在功能前提得到保证后，可以从植物行为特征整体效果的角度进一步验证所提出的理论模型。这种效果可以在树冠羞避（crown shyness）的现象中体现出来。案例统计显示，不同方向的顶视树冠间隙呈现了树冠羞避多样但存在的水平模式，如下图a所示；侧视冠顶高度比和冠面互补性也呈现了树冠羞避多样但存在的垂直模式，如下图 b所示。这两种解码呈现的模式原理上可以用所提出的复眼模型来解释，反过来也可以证明其有效性。

本研究提出的复眼建模假说，可以填补植物视觉功能-结构模型相应的学科空白，即揭示出植物作为整体是如何看的。作为推进植物视觉科学认知的创新性方案，该模型可以帮助人们探索植物视觉的新规律和新机制，进而发展其新原理和新理论，从适用于某一植物物种的专门性原理和理论升级为适用于尽可能多的植物物种的一般性原理和理论，由此从更广泛的意义上助力人们探索更贴近生命科学本质的诸多未知。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1002/advs.202303399

Adv Sci | 植物也有视觉？北京大学林沂研究员提出了新的植物视觉假说——植物视觉功能-结构复眼模型

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