互动科普

偷听植物说话的科学家

撰文  艾利森·阿博特（Alison Abbott）

翻译  李天绮

1988年，晚春时节，伊恩·鲍德温（Ian Baldwin）开着辆大众牌旧面包车，摇摇晃晃地穿行在美国犹他州沙漠的燥热之中。这位来自美国纽约州立大学水牛城分校的年轻研究员正在寻找当地的一种烟草植物和当晚过夜的地方。他在沙漠旅馆牧场的门口停下车时，遇到的却是另外一种生物：一群狰狞的狗。它们冲出大门，用利牙啃着面包车的车胎。在它们的身后，站着牧场的主人赫伯·弗莱切尔（Herb Fletcher）——怀里揣着一把冲锋枪。

鲍德温害怕了。但弗莱切尔把狗招呼进去以后，鲍德温小心翼翼地出了车门。弗莱切尔冲他笑了笑，邀请他进了牧场。“他的微笑很灿烂，”鲍德温事后回忆道。对自然界的共同爱好很快成了年轻科学家和老牧场主的契合点，开启了他们之间牢固的友谊，也为鲍德温开启了科研生涯的新时代，让他成为了化学生态学（chemical ecology）——研究植物和其他有机物之间化学信号交换的这一新兴领域的翘楚。

植物根植土地，插翅难飞，所以进化了许多妙招来击退敌人，从释放出叶内的有毒化学物质，到散发成分复杂、时强时弱的香味召唤攻击者的天敌，来个借刀杀人。这样的化学“语言”极其难懂，人的嗅觉无法察觉，现有科学研究大都无法破译。要是哪天这门“语言”能被破译，人们就可以找到方法，修改植物发出的“信号”，加强对它们的保护；或者根据这些天然化学信号研制环保仿真品来替代杀虫剂。

为了解码这种语言，鲍德温在“世界上最长的试验走廊”里开始了他的项目，雄心和规模独一无二。试验走廊位于他主管的德国马普化学生态学研究所的所在地——德国耶拿。他和研究小组的工作就是开发有效的基因工具，系统性地分解出有关植物化学信号的各个基因，再将这些基因转植入野外植物来观察这些基因的效应。这些转基因植物生长在美国犹他州，毗邻弗莱切尔的牧场，离耶拿8 844千米，最快也要27个小时才能抵达。但研究人员没有其他选择：在德国，老百姓反对转基因技术，鲍德温很难在国内开展他的试验。

工作狂

鲍德温的研究所会经常发表高调的论文。该所2010年8月发表在《科学》杂志上的一篇文章称，植物被食草动物啃咬时，能改变一些信号分子同分异构体的比率，吸引食草动物的天敌前来捕食。虽然鲍德温刻意不涉足产业应用这一块，农业产业界却在密切关注着他的研究成果，以了解植物或混合种植的植物如何合成最佳的化学物质，实现自我防御。

“伊恩·鲍德温就像一个疯子，”瑞士纳沙泰尔大学的化学生态学家泰得·特林斯（Ted Turlings）带有些许敬畏地评价说，“他一直在工作，夜以继日地干着，没有什么能让他停下来。他的野外植物站所在的区域无人愿意踏足，他为烟草植物搭建起了整套分子分析设备，踌躇满志地要为转基因植物正名。”  

但对鲍德温而言，要想知晓某种植物靠哪些方法逃过现实世界中严酷的天气和饥饿的昆虫而存活下来，这么做是唯一的途径。在他看来，“不这么干，似乎才更疯狂”。

鲍德温生性幽默，为人低调，钟爱牛仔裤、格子衬衫和棒球帽，现年52岁的他举手投足间并没有半点疯狂。他的父母住在美国马里兰州的巴尔的摩，两人都是大学里的历史学家，鲍德温很早就知道象牙塔不适合自己。“我的父母是活在11世纪的老古董，”他说，“我却想知道外面的世界。”在高中和大学阶段，他在课余时间打工，当过洗鱼工、园艺师、卡车司机、汽车和拖拉机修理工、伐木工人、爬树工人，甚至还帮人做过枫糖。有些技能后来竟然还派上了用场。

鲍德温本科时的母校是坐落于新罕布什尔州汉诺佛市的达特茅斯学院，他主修化学和生物学。在学习期间，他成为了化学生态学先锋人物之一杰克·斯库尔茨（Jack Schultz）的非正式助理。斯库尔茨当时在研究森林树冠层，但他自己不能在高处做试验，他很欣赏鲍德温的爬树技能和超常的化学实验能力。他们联手完成的一个试验于1983年发表在了《科学》杂志上，他们在文中指出，被咬后的树叶会释放出一种化学物质，通过空气传递给邻近的植物，让它们及时改变自身的化学组成结构，防范昆虫进一步侵犯。许多植物学家对这种“会说话的树木”理论嗤之以鼻，认为这是对试验结果的过度遐想。

反对者的态度伤了鲍德温的心，这使得他在纽约州伊萨卡的康奈尔大学攻读博士学位期间，决定安分守己地去研究更主流的植物内在信号传导路径。在康奈尔的这个实验室里，研究人员当时多用秘鲁的毛叶烟来做植物样本。但鲍德温在做野外试验的时候，决定换用美国本地的渐狭叶烟草。这位现已获得纽约州立大学预备终身教授的学者，就是当时在犹他州寻找渐狭叶烟草时，遇见了他命中注定的朋友：弗莱切尔。

鲍德温一家和弗莱切尔一起度过了连续7个夏天。从弗莱切尔那儿，他们知道了当地的暴力史。和鲍德温初次见面时，弗莱切尔端着把枪，那是因为他和他的牧场刚被附近的一户一夫多妻的人家攻击过。后来，还是靠他在道上混的一个朋友才把事情解决了。

如果说，和弗莱切尔在一起的日子里，鲍德温对人类的自我防卫有了新认识的话，那么在此期间，他了解到的植物自我防卫方面的知识就更多了。弗莱切尔会开车载着鲍德温绕着方圆1 300平方千米的土地兜圈，把他先前在牧场外找到的渐狭叶烟草指给鲍德温看。鲍德温会拿这些烟草植物去做试验，分析这些植物用来抵御食草动物的内在化学机制。

寻找热点   

1992年的一场灌木丛大火之后，鲍德温发现只有当烟渗入种子周围的土壤，渐狭叶烟草的种子被烟中的成分激活时才会发芽。然后它们会很快在短时间内富含营养、没有害虫的火后环境里蓬勃生长。这一发现让他明白了，要想更有效率地找到当地的渐狭叶烟草，跟着雷电走就行了——“或者打个电话给消防队，问问他们在哪里灭火”。他最早做过的一个试验是从“成本和收益”的角度，来研究这种植物在野外的防御机制，即将根部产生的尼古丁泵到叶子里。

1990年，激素茉莉酸能诱导植物发出化学信号的发现彻底改变了植物学。鲍德温立刻着手研究，最后发现它也能促使尼古丁的生成。他人工合成了这种激素，把它注入植物根系的土壤里。他这些复杂的试验涉及了4种渐狭叶烟草，每种多达1 000株，分布在方圆100千米范围内。他发现，在被茉莉酸预处理、人为诱发了尼古丁合成的样本中，那些从未受过食草动物攻击的植株产生的种子要少于被攻击过但未被损毁的植物样本。这样，他就证实了先前关于植物防御机制的一个猜测——植物只在需要的时候才会去防御，这样既能保证利益最大化，又能保证成本最小化。

那篇人人诟病的关于“会说话的树”的论文在《科学》上发表10多年后，鲍德温心生一念，想重操旧业。20世纪90年代初，这一想法已经得到了几个科研团队的证实。他们通过对农作物的研究确认，植物不但会释放化学信号，还会激发其他物种，如病原体、食草动物、以食草动物为食的食肉动物，也许还有其他植物，对此作出回应。但他们的研究大多是在实验室环境下完成的。

鲍德温想研究的是自然界的植物。植物释放出的化学物质让他尤为感兴趣，他想借用基因技术来拆解制造这些化学物质的机理。沙漠中的渐狭叶烟草在他看来是个合适的切入点，因为它们在恶劣的环境中与大火、食草动物和干旱作斗争，锤炼出了多种防御机能。

但当时研究所需的基因工程技术，对于渐狭叶烟草来说，并不具备。虽然已经有人在开发这个技术，但适用对象是在实验室里工作的植物学家青睐的拟南芥（Arabidopsis）——在鲍德温看来，“它对植物的生态进化研究毫无价值”。他决心自己动手，为渐狭叶烟草开发出一套完整的基因技术，但他深知，这耗财耗时。

这些困难并未吓倒总部设在慕尼黑的德国马普学会，他们于1995向鲍德温抛出了橄榄枝。东西德于1990年统一之后，马普学会要在东德开设研究所。它借此契机，进军新兴科研领域，在全球范围内招兵买马，聘请了许多来自海外的主管。马普学会看中了鲍德温和他的研究理念，任命他为设在耶拿的德国马普化学生态学研究所主管。马普学会麾下的主管们手头都掌握着来源稳定的雄厚资金和充裕时间来完成长期项目，他们根本不用去争取经费。鲍德温的梦想终于终于有了实现的可能。

目前，鲍德温那实力强大的生态学研究所，雇佣了50多名研究人员、学生和技术人员，来共同研究植物化合物，开发基因技术以模拟或者堵截植物信号发送路径。

然而，即使以马普学会的雄厚实力，或许也无法帮助鲍德温实现他最初的设想——在德国境内对转基因植物进行野外试验。他说：“就算你得到了批准，德国政府还要求对所有的野外试验田进行GPS定位跟踪，将拍摄到的一切上传到某个网站——这样一来，试验的每个环节都将被（反转基因）积极分子破坏。”

在美国，野外试验虽然艰苦，却是可行的。耶拿的科研团队培育好种子，然后把种子送往马里兰州罗克维尔的美国动植物检疫局检查，如没有问题，就可以撒在犹他州的试验田里了。2010年，鲍德温的团队种植出了4 000株幼苗，涉及的研究课题多达36项，包括植物与授粉者之间的关系、植物根系如何与微生物共生等。“这真是个苦差事，”鲍德温说。

苦差事还远不止这些。鲍德温举例：“灌木丛火灾烧起来比你跑得快”。2005年，远处的一场刚起的火灾逼得十来个科学家仓皇逃命。考虑到试验站里有瓶易燃的丙烷气体，他们只得忍痛开车离开了工作现场（火苗在烧到试验站之前改变了方向）。鲍德温承认，他对安全的要求达到了“暴君”般严苛的程度。试验站的一块区域内，时常有响尾蛇之类的致命动物出没，工作人员被禁止使用iPod和太阳眼镜——“人们必须保持警惕，能听到或者看到响尾蛇”。工作人员也严禁在沙漠内独行。从试验站到最近的医院得颠簸着开上1个小时的车，每个人都必须学会怎么换车胎。

野外生活

大自然也会在其他方面给他们找些麻烦。2010年，他们精心设计了一系列试验来研究叶蝉、食草动物与它们寄主植物之间的关系，但等到最后，叶蝉“爽约”，他们的心血全都白费了。

不过，研究成果也源源不断地产生出来。2010年2月，鲍德温最出彩的一篇论文发表了。这篇文章探讨了植物的两难境地——它们要足够显眼以吸引授粉者，又要足够不显眼以躲过食草动物。渐狭叶烟草通常在晚上开花，同时释放出苄基丙酮来吸引天蛾。不幸的是，天蛾授粉的同时常会将卵产在叶子上面，天蛾幼虫也是食草动物。研究小组发现，当植物被敌人攻击的时候，它们就会停止产生苄基丙酮，开花的时间也移到了天蛾归巢的黎明时分。此后的授粉工作将交给蜂鸟完成。通过对一组转基因植物样本的研究，鲍德温的小组描述了天蛾幼虫咀嚼时分泌的唾液导致开花时间变化的整个过程。

约翰·皮克特（John Pickett）来自英国哈彭登的洛桑研究所，他是这家历史悠久的农业科研中心的主管。用皮克特的话来讲，鲍德温的研究工作激发了人们的灵感，去开发适合买不起农药和杀虫剂的贫困国家农民种植的新作物。该研究所正和一些农业公司联手，在美国和英国对转基因作物进行田间试验，这些作物通过基因技术加强了植物受到攻击时发出的化学信号。这位负责人不愿意谈及具体细节，不过“在接下来的一两年内，我们有重大消息要宣布”。

2010年年底，鲍德温回到了耶拿。他计划在2011年的试验中，运用转基因技术强化或者弱化植物送出的化学信号，用他的话来说，这叫“扩音”和“消音”。他将研究单株“被扩音”的植物样本在“被消音”植物的包围下如何影响食草动物或食草动物捕食者的行为。

现在，鲍德温和他那片荒芜且充满敌意的试验场之间隔着8 844千米。在那里，人与人之间的紧张关系有所缓和，但植物与昆虫之间依然拼杀得你死我活。