在瑞士巴塞爾郊外的一座大型溫室里，一只椿象悄悄落在葉片上，準(zhǔn)備飽餐一頓。此刻，沉默的大豆植株其實(shí)并非毫無反應(yīng)，它正釋放出一連串急促的電信號，宛如在發(fā)送無聲的求救電波——“哎喲，我受傷了”。
過去，這種“聲音”人類聽不見，也看不懂。近日，先正達(dá)集團(tuán)研究團(tuán)隊(duì)與瑞士科技公司“維文生物信號”合作，在實(shí)時(shí)監(jiān)測植物電信號的基礎(chǔ)上，首次利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，成功破譯植物被蟲害侵襲時(shí)發(fā)出的“求救信號”。這項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》等國際期刊的研究成果，意味著人類開始“理解”植物的語言，這不僅是植物生理學(xué)的重大突破，也為全球糧食安全提供了一把“數(shù)字鑰匙”?！拔覀儗χ参锏纳L機(jī)制及其應(yīng)對病蟲害威脅的方式了解得越透徹，就越能幫助植物健康生長，從而保障糧食生產(chǎn)。”領(lǐng)導(dǎo)該研究團(tuán)隊(duì)的植物學(xué)家安克·布赫霍爾茨在接受記者采訪時(shí)表示，他們現(xiàn)在能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地了解作物如何應(yīng)對特定的環(huán)境挑戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)顯示，全球每年因植物病蟲害導(dǎo)致的農(nóng)作物損失比例高達(dá)40%，直接經(jīng)濟(jì)損失超過2200億美元。以大豆為例，作為全球油料作物和植物蛋白的核心來源，每年有超過20%的大豆因病蟲害問題減產(chǎn)?！捌渲幸淮筇魬?zhàn)就在于，病蟲害侵襲的隱蔽性?！辈己栈魻柎谋硎?，比如拉丁美洲大豆田里常見的椿象，它們常常潛伏在大片豆田茂密的冠層隱蔽處。在椿象侵?jǐn)_初期，對植物造成的損害微乎其微，因此很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)它們。等到農(nóng)民注意到大豆莢變黃時(shí)，蟲害已蔓延開來，最佳防治時(shí)機(jī)往往已經(jīng)錯(cuò)過。這種“識別滯后性”不僅導(dǎo)致減產(chǎn)，更迫使農(nóng)民為控制蟲害擴(kuò)散而加大農(nóng)藥噴灑劑量、增加噴灑頻次，加重了對土壤、水源的環(huán)境影響。
其實(shí)，科學(xué)家對植物電信號的探索已有150年歷史。中國科學(xué)院植物學(xué)博士、科普作家史軍表示，植物電信號并不神秘，任何生物在生命運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都會產(chǎn)生電信號。當(dāng)氫離子、鈣離子、鉀離子和氯離子在細(xì)胞膜內(nèi)外移動(dòng)的時(shí)候，就會帶來細(xì)胞膜兩側(cè)離子濃度的變化。帶電離子的移動(dòng)恰如金屬導(dǎo)線中電子的移動(dòng)，于是就產(chǎn)生電信號。當(dāng)植物體受到干旱、低溫、動(dòng)物啃食等外界刺激時(shí)，會帶動(dòng)細(xì)胞膜兩側(cè)離子濃度的變化，進(jìn)而產(chǎn)生電信號。這些信號通過植物體內(nèi)輸送水、礦物質(zhì)和養(yǎng)分的組織通道中的離子流實(shí)現(xiàn)傳播，這也是植物在細(xì)胞、組織間進(jìn)行通信的最快機(jī)制之一。不過，面對植物發(fā)出的海量且極度復(fù)雜的電波數(shù)據(jù)，人們很長時(shí)間都無法真正理解這些信號的含義。布赫霍爾茨解釋說，“人類處理不了這么大的信息量，這些信號交織在一起，就像嘈雜的電流聲，我們以前根本不知道它們在‘說’什么?！?/p>
機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)的加入，為研究和破解植物的“求救信號”開辟了新路徑。研究團(tuán)隊(duì)給大豆植株連接上精密的電信號監(jiān)測設(shè)備。這些電信號被記錄下來，隨后被“投喂”給人工智能模型進(jìn)行分析與解讀?！斑@使我們能夠搜索植物語言中表示‘我正遭受椿象攻擊’的電信號模式?！毕日_(dá)集團(tuán)植物學(xué)家尤里安·弗里德里希說。
研究團(tuán)隊(duì)還對比監(jiān)測了經(jīng)植物保護(hù)產(chǎn)品處理過（比如噴灑植物保護(hù)產(chǎn)品）的大豆與未處理過的大豆的反應(yīng)機(jī)制。結(jié)果顯示，未受保護(hù)的大豆在遭遇椿象侵襲時(shí)，電信號瞬間變得劇烈且無序；而經(jīng)過處理的健康植株，其信號則保持平穩(wěn)。這意味著，通過記錄植物的電信號，可以更準(zhǔn)確地判斷作物是否受到侵襲，從而提前數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天發(fā)出預(yù)警。布赫霍爾茨認(rèn)為，這一新發(fā)現(xiàn)有助于農(nóng)技人員更早、更高效地干預(yù)和防范蟲害，實(shí)現(xiàn)作物的精細(xì)化管護(hù)，并更有針對性、更可持續(xù)地施用農(nóng)藥。
當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)仍處于起步階段?，F(xiàn)階段科學(xué)家只能確定幾種脅迫類型，例如椿象啃食豆莢，或者線蟲（一種微小的蠕蟲）在土壤中啃食根部。布赫霍爾茨表示，“團(tuán)隊(duì)的中期目標(biāo)是建立一個(gè)植物‘求救信號’數(shù)據(jù)庫，以便進(jìn)一步區(qū)分各種病蟲害或高溫和干旱等影響植物健康生長的環(huán)境威脅。未來，我們希望能夠破譯植物的語言。”
如何分辨植物的“求救信號”，是進(jìn)行蟲害管控的關(guān)鍵。史軍解釋說：“這項(xiàng)研究的關(guān)鍵點(diǎn)在于研究團(tuán)隊(duì)通過數(shù)學(xué)模型，排除了光照、水分等環(huán)境影響因素，篩選出那些與昆蟲侵害大豆相關(guān)的電信號。這就像破譯了植物的摩斯密碼——‘尖峰’次數(shù)越多，呼救越急，這讓我們對植物的反應(yīng)有更清晰的理解，也為對抗蟲害爭取了寶貴時(shí)間?！保ㄓ浾?郭梓云 孔 歌）