植物在睡梦中计数

植物利用分子数学彻夜抵御饥饿!来自约翰英纳斯中心的艾莉森·史密斯和马丁·霍华德向裸体科学家玛莎·恩里克斯解释了太阳下山对植物造成的问题。

马丁:晚上，太阳下山了。这是一个非常基本的问题，在白天，植物当然可以通过光合作用从阳光中获取能量。但到了晚上，当太阳下山时，它们的能量来源就消失了，它们必须想出一些办法来弥补，这样植物的新陈代谢和生长才能在夜间继续进行。所以，植物解决这个问题的方法是，在白天，它们把从阳光中获得的一些能量以淀粉的形式储存起来，在晚上，这些淀粉被分解。观察发现，淀粉在夜间被分解的速度在夜间几乎是恒定的。如果你测量淀粉的含量作为夜间时间的函数，它会呈直线下降。

玛莎:好吧，看来植物对日照的估算是正确的。

马丁:没错。它们似乎知道自己有多少淀粉，也知道离天亮还有多少时间，然后它们根据这两个数字适当地估算淀粉的降解率。有趣的是,如果你给植物意外早期的晚上,所以这些植物的生长房间花了一辈子在一个光政权,突然你给他们一个晚上早些时候比他们曾经见过的,他们能无缝地重新调整,rebudget以便调整淀粉降解,这样他们跑出粮食储备完全期待黎明的时候,即使阳光已经消失了比他们预计的还要早。

玛莎:那么，你在这项研究中的新解释是，植物实际上是在把一个量除以另一个量。你是怎么想到这个主意的?

马丁:嗯，这似乎是唯一与我们的数据一致的假设。不管我们如何扰乱植物和它们所处的阳光环境，不管我们是让它们早睡还是晚睡，不管我们是否改变白天的光照强度，这似乎都无关紧要。我们尝试了很多方法来干扰这个过程，但无论我们做什么，植物似乎都能适当地重新预算。它们总是在夜间得到适当的降解速度，所以它们会在黎明时分耗尽食物储备。唯一一种与我们的数据一致并且在所有情况下都能做到这一点的方法是，他们真的在做这种划分计算，他们知道，植物知道它们有多少淀粉。它们会得到离天亮还有多少时间的信息，它们会把这两个数字除以来计算出正确的消耗淀粉的速度。

玛莎:既然植物没有大脑来进行计算，那么植物用一个数字除以另一个数字到底意味着什么呢?植物在分子水平上进行等差除法意味着什么?

马丁:对。我的意思是，这听起来确实很不寻常。我们当然对这种解释感到震惊。我们认为它不起作用的方式，天真地想，它会像电脑或计算器一样吗?植物会像在电脑上一样进行计算吗?我们认为这是极不可能的，因为计算机进行这些计算的方式非常非常复杂。我们认为它更有可能以一种完全独立的方式实现。有两种分子给植物提供有关淀粉含量和黎明时间的信息。基本上，其中一种分子提高淀粉降解的速度而另一种分子测量黎明的时间基本上是抑制淀粉降解的速度。所以，如果你有一个分子想要进行反应，另一个分子想要阻止反应，这就有点像做除法计算因为试图阻止反应的分子越多，反应速率就越慢，这就很像做除法计算。 So, it turns out that if you have these two molecules and you set up the right set of chemical reactions then you can create a degradation rate that's the ratio of these two quantities. That's how we think this is done. It's not really done digitally like it is in your computer. It's done in a much more analogue fashion through chemical reactions.

玛莎:这种模拟反应的一部分是由植物体内的生物钟调节的。

马丁:是的，所以提供黎明时间信息的分子来自生物钟。所以，像我们这样的植物有一个内部生物钟，它告诉它们黎明何时到来，太阳何时升起，这样它们就可以在那个时候启动适当的基因来做正确的事情。所以，我们认为时间信息来自生物钟，事实上，我认为我们对此相当确定，因为我们知道，在某些植物中，生物钟受到干扰，植物开始做出错误的决定。

玛莎和艾莉森，这项工作是通过一种非常新颖的合作进行的，并得出了一个非常新颖的结果。

艾莉森-任何生物都会做算术除法的想法都是新的。这可能需要在不同类型的生物体中进行更广泛的研究。我们对此感到非常惊讶和兴奋，事实上植物可以做数学，它们在晚上坐在那里，它们必须做数学。所以，这可能是我想强调的另一件事。这不是一件小事。如果植物得到错误的总数，那么它降解淀粉的速度太快，在黎明之前就耗尽了淀粉，我们知道植物就会陷入严重的问题。我们有这样做的突变体，这些植物生长得更慢，因为它们不能适当地管理它们的碳预算。所以，这对植物的生产力有着深远的影响，显然，对我们未来研究如何提高植物生产力的方式会产生连锁反应。

同样地，如果植物对太阳的反应是错误的，没有使用所有的淀粉，那么它就浪费了储存的能量。同样，效率也会降低。所以，这对植物的生产力非常重要。就像一个粗略的计算，也许地球上生命中三分之一的碳是通过这种代谢途径产生的。所以了解植物是如何控制这种情况的对生物学来说是非常基础的。