这些植物自动发热的原因终于被科学家发现了

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地球是一个奇迹

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鳞木铁象鼻虫（Rhopalotria furfuracea）正在为一株苏铁类植物的球果授粉。研究人员如今得知，这些球果会加热自己，释放出红外光，从而吸引演化出红外探测能力的昆虫授粉者。摄影：LILIAN SOUCEY

夜幕降临亚马孙雨林，满载种子的球果向外伸着，呼唤本地甲虫为之授粉。那呼唤采用了红外光的形式，随着植物升温，放射而出。

它们就是苏铁类植物。通过加热自己，它们的植株温度可以比环境高15摄氏度。科学家们首次报告称，加热过程产生的红外光吸引授粉甲虫，构成了授粉信号中最古老的形式之一。相关论文已在《科学》发表。

“它无疑叫人惊奇，”未参与该研究的加州理工大学进化生物学家乔·帕克（Joe Parker）说，“当属那类十分美丽的系统——当它展露真容，你不禁觉得就该是这样，一点儿问题也没有，完美极了；你会认为这就是大自然会发展出来的方案，丝丝入扣、美丽无比。”

红外光对于人眼不可见，因此作为吸引授粉者的机制，这看起来不大寻常。但研究人员承认，该授粉路径的形成时间比色觉在生物演化史上出现还要早。

“那些小动物有一个全然隐匿的世界，它们用特殊的方法找到植物，而这本质上促进了陆上生命的演化。”新研究合著者、哈佛大学生物学家尼古拉斯·贝洛诺（Nicholas Bellono）说。

当鳞秕泽米铁（Zamia furfuracea）雄株准备好放出花粉，它们便会加热自己的球果，这在热红外图像上一目了然。摄影：WENDY VALENCIA-MONTOYA

雨林寻路

新研究第一作者温迪·瓦伦西亚-蒙托亚（Wendy Valencia-Montoya）曾为了一项为期六个月的本科项目住在秘鲁亚马孙雨林的帐篷里。

她常常在森林里迷路，鳞木铁象鼻虫却能轻而易举地在万木丛中找到苏铁类，让她惊叹不已。它们的目标植物叶片宽大，长着棕色的树干，看起来就像矮小的棕榈或蕨类，实际上却是松柏科的近亲。

无论是承担铁树繁衍要务的球果，还是充当授粉使者的象鼻虫，这个故事里的主角都又小又不起眼，如果你不清楚目标长什么样，就很难发现它们。

“彼时，我已为那些昆虫深深着迷：如此小的个头，竟这样擅长探路，”她说，“当你发现一个球果，次日就会看到所有象鼻虫都来了。我想这真的太奇妙了。”

当瓦伦西亚-蒙托亚进入哈佛大学攻读博士、开始在贝洛诺实验室工作，她渴望探索这些甲虫自动巡航的奥秘，它们的终点——苏铁类植物，被誉为“活化石”，代表着借助动物传粉、散播种子的最古老的植物谱系。

研究人员用紫外线染料标记了象鼻虫，以便追踪它们在苏铁类雌、雄株之间的运动轨迹。图中，一只象鼻虫靠近了一颗雌株球果的缝隙。象鼻虫能通过缝隙进入球果内部，完成授粉，这些位置通常比球果其余地方温暖。摄影：MICHAEL CALONJE

此前的研究亦已确定，苏铁类植物加热能力区间广阔，部分个体能让自身温度升高2.7摄氏度；最野心勃勃的则能升降13.8摄氏度左右。

同种植物的温差变化之大，表明这种调节不会只是基础新陈代谢的副产物，实际上，它是一个用来吸引甲虫的信号。有些昆虫（包括这些象鼻虫）甚至格外擅长在特定温度范围授粉。

“我们认为，昆虫也能区别不同温度。于是植物的温度可能是种可供了解的信息，它们借此分辨：‘啊，这株是那个植物，这株又是另一个’。”瓦伦西亚-蒙托亚说。

而她想探究的另一个谜题是：到底是植物的热量变化引起甲虫针对性反应，还是球果释放的其他什么东西在起作用。

象鼻虫与苏铁类植物实验

科学家们在佛罗里达蒙哥马利植物中心做了鳞木铁象鼻虫行为实验。起初他们发现，装满花粉的苏铁雄株球果先行升温，然后冷却；等待接收花粉的雌株球果则在三小时后才开始变温。一条精心设计的轨道就此形成，引导象鼻虫循着路径往返于雌雄球果之间。

后续实验显示，象鼻虫更喜欢花粉满满的球果最温暖的部分，这表明，热量可能对它们有引导作用。不过，科学家猜测，吸引这些象鼻虫的也有可能是植物热度的某一特定属性。

一个物体升温越多，释放的红外光就越多。感知这种光线，与通过直接触碰物体表面或通过空气对流来感知温暖，可不是一回事。

为了区分这其中的差异，科学家们准备了一组对照实验环境，将3D打印的苏铁类植物模型放置其中（由此排除象鼻虫对植物的气味起反应的因素），进行了一系列实验。

例如，他们为打印模型罩了一层聚乙烯薄膜，与表面留出1厘米空隙，隔绝了接触和空气对流，但基本不会阻碍红外线透过。结果依然观察到，象鼻虫更容易被发热的雄雌植株（模型）吸引，而不是那些保持常温的植株（模型）。

贝洛诺说，尽管之前也有研究记录其他植物自发热案例，不过相关理论一向猜测，这种能力是为了在寒冷环境中抵御霜冻，还有说法甚至认为，发热是为了给传粉昆虫热身。“过去没有切实证据表明，发热本身即为引导授粉的信号。”

研究人员发现，无论是在植物园，还是在实验室里，传粉甲虫都更喜欢苏铁球果较为温暖的部分。摄影：MICHAEL CALNOJE

史前联系

随后，科学家们继续深入，着眼微观，试图从分子层面了解象鼻虫接收植物红外光的原理。

他们发现，这种象鼻虫的触须神经元中有TRPA1（瞬时受体电位通道的“感受器”）的基因突变。过往研究发现，这条基因对于蛇类和蚊子的红外感知能力十分重要，它能帮助它们发现猎物、找到人类及动物叮咬对象。

这种联系令瓦伦西亚-蒙托亚倍感惊奇。在生物演化史上，昆虫早在4亿年前就与蛇类分道扬镳，然而同样的基因至今仍以相似的方式在象鼻虫和蛇类身上发挥作用。“大自然似乎只是循环利用同一批古老的分子选手，反复派它们上场。”她说。

早前，科学家已经了解到，有部分甲虫能感知红外辐射，黑火甲虫就是其中之一，它们能探测到几百千米以外的火焰释放的红外光。而纵观所有甲虫学说，新研究第一次展示了红外感知的分子与细胞基础。

那么苏铁球果的颜色变化又会否影响这对搭档？在深入探究象鼻虫光敏特性和球果颜色区间后，研究人员断定，在雨林地面上，象鼻虫单凭颜色无法很有效地找到球果。

顺着这个思路再进一步，研究人员彻底搜索了现存植物及其颜色的数据库，化石记录也没放过。结果发现，任意一科种子植物的颜色越多变，它们能自个儿发热的几率就越低，反之亦然。

此外，似乎早在蜜蜂、蝴蝶以及其他能识别多种色彩的传粉昆虫崛起以前，甲虫就已形成辐射演化，而后来者们则与现代开花植物的时间表大致相同。

甲虫，红外领域的先锋？

考虑到这些亚马孙甲虫的夜行习性，它们会发展出一套不依靠色彩寻找苏铁的方式，倒也在情理之中。甲虫们还在苏铁类的球果上产卵，这使它们的发育周期完全和这些植物相系相连。

“换句话说，没有甲虫，就没有植物；没了植物，甲虫也将无以为生。”瓦伦西亚-蒙托亚说。

一方面，新研究有史以来首次论证了红外光对于植物授粉的重要意义，但另一方面，过往已知的一些苏铁类植物信号（例如湿度和气味）也在吸引甲虫方面有所建树。

当昆虫与植物相距较近，气味可能没有红外光那么有助于定位球果入口、花粉及植物准备的其他酬劳，但仍能吸引授粉者入场。瓦伦西亚-蒙托亚与同事们希望，未来研究可以正式检测这些植物的热量、湿度和气味之间可能存在的内在关联。

帕克说，新研究还提出了一种可能性：自然界可能还存在其他依赖温度变化和红外感知线索的生态系统，只是尚未被我们发现。

甲虫占据了现今已知的40万种（仅仅计算了已被描述并命名的）生物的1/4。帕克认为，结合其漫长的演化史，甲虫能成为红外感光授粉的先锋，可谓顺理成章。

“如果有哪种生物一脚跨入红外领域，不仅调频正确，收到了植物释放的这种形式的信息，还成功领会了其中的感官线索，身份揭晓——这位行家很大概率就是一只甲虫。”帕克说。