通常，植物生長在擁擠的環境中，相鄰的植物在爭奪光線的同時互相遮蔭。鄰居的存在隨著空間和時間的變化而變化，植物已經進化出檢測鄰居並在遠離其陰影的地方生長的能力。雖然人們普遍認為這些反應有助於植物增加個體的光照，但尚不清楚它們如何設法找到集體有益的解決方案。在一項新的研究中，特拉維夫大學和其他地方的物理學家重點研究了向日葵群體中由避蔭所介導的自發性自組織模式的形成。他們的分析表明，旋轉（植物固有的運動）提供了符合有界隨機遊走的隨機擾動。

雖然旋轉在植物系統中普遍存在，通常與探索性運動相關，但對其作用的定量理解卻難以捉摸。阮 等人。首次報告了它們在促進擁擠的相互遮蔭植物的最佳生長模式方面的作用。圖片來源：Manuel H.

特拉維夫大學教授亞斯明·梅羅茲(Yasmine Meroz) 表示：「先前的研究表明，如果向日葵密集種植在相互遮蔭的田地裡，它們就會以鋸齒形生長——一前一後——以免處於彼此的陰影中。

“通過這種方式，它們並排生長，以最大限度地利用太陽的光照，從而在集體層面上實現光合作用。”

“事實上，植物知道如何區分建築物的陰影和樹葉的綠色陰影。”

“如果它們感覺到建築物的陰影，它們通常不會改變生長方向，因為它們知道這不會產生任何影響。”

“但如果它們感覺到植物的影子，它們就會向遠離影子的方向生長。”

在這項研究中，研究人員研究了向日葵如何「知道」以最佳方式生長（即最大限度地捕捉集體陽光）的問題，並在實驗室中分析了向日葵的生長動態，它們在實驗室中表現出鋸齒狀生長。

梅羅茲教授和同事在高密度環境中種植向日葵，並在生長過程中拍攝它們，每隔幾分鐘拍攝一次。然後將這些影像組合起來製作一部延時影片。

透過追蹤每朵向日葵的運動，研究人員觀察到花朵經常跳舞。

這組作者說，達爾文是第一個認識到所有植物在生長時都會表現出一種循環運動（循環）的人——莖和根都表現出這種行為。

但直到今天——除了少數例子，例如攀緣植物，它們以巨大的圓週運動生長，尋找可以抓住的東西——還不清楚它是人工製品還是生長的關鍵特徵。為什麼植物會投入能量以隨機方向生長？

「作為我們研究的一部分，我們進行了物理分析，捕捉了向日葵群體中每朵向日葵的行為，我們看到向日葵跳舞以找到最佳角度，這樣每朵花都不會阻擋鄰居的陽光，」梅羅茲說。

“我們對這種運動進行了統計量化，並通過計算機模擬表明，這些隨機運動被共同使用以最大限度地減少陰影量。”

“我們也非常驚訝地發現，向日葵的台階分佈非常廣泛，範圍超過三個數量級，從接近零位移到每隔幾分鐘向一個方向或另一個方向移動兩厘米。”

梅羅茲教授說：“向日葵植物利用了這樣一個事實，即它既可以使用小而慢的步驟，也可以使用大而快的步驟來找到集體的最佳排列方式。”

“也就是說，如果步數範圍更小或更大，這種排列將導致更多的相互遮蔽和更少的光合作用。”

「這有點像一個擁擠的舞會，人們四處跳舞以獲得更多空間：如果他們移動太多，就會幹擾其他舞者，但如果他們移動太少，擁擠問題就無法解決，因為廣場的一個角落非常擁擠，而另一邊卻空無一人。

“向日葵表現出類似的交流動態——對鄰近植物陰影的反應以及無論外部刺激如何的隨機運動的結合。”

結果發表在期刊上 物理評論X。

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尚塔阮 等人。 2024. 吵雜的循環有利於向日葵的自組織避蔭。 物理評論X 14（3）：031027； doi: 10.1103/PhysRevX.14.031027