當(dāng)我們在野外被蚊子叮咬時(shí)，往往先揮手驅(qū)趕，如果不管用，才會選擇噴灑驅(qū)蚊液。揮手驅(qū)趕不過是抬抬手的事（低成本），而噴灑驅(qū)蚊液則得翻包、找準(zhǔn)、噴灑，既費(fèi)力又費(fèi)錢（高成本）。不過這種先用低成本辦法、再逐步升級的應(yīng)對方式，并非人類獨(dú)有。最近，中國科學(xué)院武漢植物園入侵生態(tài)學(xué)研究組的最新研究發(fā)現(xiàn)，植物在面對蟲害威脅時(shí)，也會采取類似的策略：它們會優(yōu)先啟動低成本的防御手段，只有在危險(xiǎn)升級時(shí)，才啟動那些更耗能的手段。
靜默者的防御手段：從尖刺到毒藥
在昆蟲面前，植物雖然看似靜立不動，但并非毫無防護(hù)。在億萬年的進(jìn)化長河中，它們早已發(fā)展出了一整套防御體系來抵御饑腸轆轆的昆蟲“食客”。
常見的防御武器五花八門，既有我們?nèi)庋劭梢姷摹拔锢硌b甲”，比如讓蟲子無從下口的尖刺和絨毛，可以增加昆蟲取食的難度；也有看不見的“化學(xué)武器”，例如干擾昆蟲消化的木質(zhì)素、單寧等大分子物質(zhì)，以及像黃酮類這樣能直接擊退來犯之?dāng)车男》肿佣舅?，對昆蟲也具有一定的驅(qū)避作用。正是依靠這些層層疊加、彼此配合的防御手段，植物才能在危機(jī)四伏的自然界中生存下來。
生存的算術(shù)題：“全面出擊”還是“精打細(xì)算”？
在自然界里，沒有免費(fèi)的午餐。無論是物理結(jié)構(gòu)還是化學(xué)物質(zhì)，植物用于防御的每一件武器都不是零成本的，它們的構(gòu)建往往要花費(fèi)大量能量。這使生存變成了一道永恒的算術(shù)題: 植物在一定時(shí)間內(nèi)能夠吸收到的能量和營養(yǎng)物質(zhì)都是有限的，如果在防御上投入過多，可能會不利于植物自身的生長和繁殖。
正因如此，生態(tài)學(xué)中提出了一個(gè)概念——最優(yōu)防御理論（Optimal Defense Theory）。它認(rèn)為，植物把有限的資源投向最關(guān)鍵的部位或最緊迫的威脅，以求在生長、繁殖和防御之間找到平衡。
于是，一個(gè)耐人尋味的問題出現(xiàn)了：當(dāng)蟲害來襲時(shí)，植物會怎么選擇？是立刻全力以赴，不惜代價(jià)動用所有武器？還是懂得權(quán)衡輕重，先拿出低成本的“招數(shù)”，必要時(shí)再升級到昂貴的“武器”？帶著這一疑問，研究團(tuán)隊(duì)以常見的草本植物——豚草（Ambrosia artemisiifolia; 圖1）為研究對象，通過一系列精細(xì)實(shí)驗(yàn)，逐步揭開了植物防御的神秘面紗。
田野調(diào)查：揭開防御秘密的第一步
在研究豚草的反應(yīng)之前，科學(xué)家們首先要搞清楚它的對手是誰。在一個(gè)盛夏時(shí)節(jié)，研究團(tuán)隊(duì)選擇了武漢周邊的農(nóng)田與路邊作為調(diào)查地點(diǎn)，對取食豚草的昆蟲進(jìn)行了系統(tǒng)性的采集與鑒定。結(jié)果顯示，這些棲息在豚草上的“不速之客”種類豐富（圖1），包括色彩斑斕的毛毛蟲、具金屬光澤的甲蟲、以及活躍蹦跳的蚱蜢等，這些昆蟲都屬于常見的廣食性害蟲。通過這一步調(diào)查，研究人員初步掌握了豚草最常見的天敵種類，也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。
圖1: 豚草及取食它的代表性昆蟲
(圖片來源：武漢植物園研究團(tuán)隊(duì)供圖)
實(shí)驗(yàn)證實(shí)：“精打細(xì)算”的御敵智慧
在知道了豚草最常見的對手是誰之后，接下來，研究團(tuán)隊(duì)把常見的十余種昆蟲“請進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”，讓它們直接上陣啃食豚草。通過觀察害蟲食用豚草的過程，研究人員仔細(xì)記錄了豚草的應(yīng)對方式——從葉片上的細(xì)小絨毛（毛狀體），到木質(zhì)素、單寧、綠原酸等化學(xué)“防御武器”，都在觀察之列。
結(jié)果表明，這些防御手段確實(shí)能對昆蟲產(chǎn)生抑制作用，但不同手段的能量消耗各不一樣。比如毛狀體、單寧和木質(zhì)素，它們的生成會顯著降低植株的生長速度，是代價(jià)較高的防御方式；而綠原酸、蘆丁和山柰酚等小分子化合物合成更快、能量消耗低，相對來說對植物的性價(jià)比更高。（圖2）。
圖2: 豚草的防御武器有輕重之別
（圖片來源：武漢植物園研究團(tuán)隊(duì)供圖）
更令人驚嘆的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，豚草在防御昆蟲上的“決策智慧”：它并不會慌亂地啟動所有防御，而是有一個(gè)先后順序。當(dāng)葉片剛出現(xiàn)輕微咬痕時(shí)，它就會迅速提升綠原酸、蘆丁和山柰酚等小分子化合物的含量；而像毛狀體、單寧和木質(zhì)素這些代價(jià)較高的防御，則只有在葉片損傷達(dá)到大約三到五成時(shí)才會明顯增加。換句話說，豚草并不是一開始就全力以赴，而是先用低成本的方式應(yīng)對，只有在蟲害不斷加重時(shí)，才啟動那些高成本的防御。（圖3）。至此，植物防御是否懂得“精打細(xì)算”，終于有了答案。
圖3: 豚草的低成本優(yōu)先防御策略
（圖片來源：武漢植物園研究團(tuán)隊(duì)供圖）
結(jié)語：自然界普適的生存智慧
這項(xiàng)研究清楚地表明，植物在應(yīng)對蟲害時(shí)，并不會盲目投入所有防御，而是按照能量消耗的高低分階段啟動。正是這種不動聲色的“精打細(xì)算”，讓植物在漫長的進(jìn)化過程中頑強(qiáng)生存下來?？茖W(xué)家稱之為低成本優(yōu)先策略，它為最優(yōu)防御理論提供了新的證據(jù)。
這一發(fā)現(xiàn)不僅讓我們重新認(rèn)識了植物的智慧，也啟發(fā)我們?nèi)ヌ綄ぷ匀唤绺嚯[秘而高效的生存法則。同時(shí)這也在提醒著我們：“省吃儉用”才是長久之道。
注：該成果由中國科學(xué)院武漢植物園牽頭，聯(lián)合國內(nèi)外合作團(tuán)隊(duì)共同完成，近日發(fā)表于《PLOS Biology》，并引發(fā)廣泛關(guān)注。論文第一作者為武漢植物園萬金龍副研究員，通訊作者為黃偉研究員。
出品：科普中國
作者：萬金龍（中國科學(xué)院武漢植物園）
監(jiān)制：中國科普博覽
