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出品 | 海潮天下

長期以來，植物在人類認知中一直是靜默的生命體。但是，特拉維夫大學(xué)的進化生物學(xué)家莉拉奇·哈達尼及其團隊在《細胞》（Cell）期刊上發(fā)表了一項研究結(jié)果，徹底顛覆了這一觀點。

該研究證實，番茄、煙草以及仙人掌等多種植物在遭遇缺水、或遭到物理損傷時，會向空氣中釋放出高頻的超聲波信號。這些聲音的頻率處于20~100千赫茲之間，遠超人類的聽覺極限，但在某些能夠感知超聲波的昆蟲、或哺乳動物的耳中，這些聲音的強度聽起來足以與人類正常的交談聲相媲美。

▲上圖：植物超聲波信號的采集與分類處理流程。研究人員定向麥克風(fēng)記錄三種狀態(tài)下的植物聲學(xué)表現(xiàn)：左側(cè)為干旱脅迫狀態(tài)，中間為受到物理切割損傷狀態(tài)，右側(cè)為健康對照狀態(tài)。采集到的混合音頻信號被輸入機器學(xué)習(xí)模型（如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）。經(jīng)過模型分析，系統(tǒng)能夠從復(fù)雜的背景音和混合信號中，準(zhǔn)確識別并區(qū)分出哪些聲音源自干旱植株，哪些源自受損植株，以及哪些屬于健康植株的背景狀態(tài)。下面的不同顏色和形狀的波形代表了植物在不同壓力下產(chǎn)生的差異化超聲波信號。論文出處：Khait, Itzhak, et al.

為了捕捉這些微弱的信號，科研人員將植物放置在安裝有超聲波麥克風(fēng)的聲學(xué)箱內(nèi)。實驗對比顯示，處于健康狀態(tài)的植物幾乎保持完全沉默，而一旦進入受壓狀態(tài)，它們便會發(fā)出密集的、類似于爆裂聲或點擊聲的音頻脈沖。具體數(shù)據(jù)顯示，一株嚴(yán)重脫水的番茄植物，每小時發(fā)出的聲音可達35次左右，且這種聲音在植物表現(xiàn)出明顯干旱特征之前就已經(jīng)出現(xiàn)。研究人員借助機器學(xué)習(xí)算法對音頻樣本做了分析，甚至可以根據(jù)聲音的細微特征，準(zhǔn)確判斷出植物是正處于脫水狀態(tài)、還是遭到了切斷莖部的物理傷害。

關(guān)于這種聲音產(chǎn)生的物理機制，科學(xué)界目前傾向于將其解釋為“氣穴現(xiàn)象”。

當(dāng)植物面臨干旱壓力時，其維管系統(tǒng)內(nèi)部的水柱會因張力過大產(chǎn)生氣泡。當(dāng)這些氣泡形成或破裂時，會產(chǎn)生微小的振動，并最終轉(zhuǎn)化為通過空氣傳播的聲波。這意味著，這種聲音可能并非植物主觀意圖上的“呼救”，而是一種伴隨生理壓力產(chǎn)生的物理副產(chǎn)品。即便如此，這些攜帶信息的聲波，依然具有重要的生態(tài)學(xué)意義，因為環(huán)境中的其他生物可能會“竊聽”、并有效的利用這些信號。

▲上圖：受壓植物發(fā)出的超聲波及其狀態(tài)識別。圖A展示了配備定向麥克風(fēng)的聲學(xué)實驗裝置；圖B顯示干旱或受損植株的發(fā)聲頻率顯著高于健康對照組；圖C~圖E分析了不同植物在不同壓力下聲音的時序、頻譜及強度特征；圖F證明，機器學(xué)習(xí)算法可以精準(zhǔn)識別發(fā)出聲音的植物種類及其所處的壓力類型。論文出處：Khait, Itzhak, et al.

在生態(tài)系統(tǒng)中，能夠感知這些超聲波的飛蛾、或植食性動物，或許會根據(jù)植物發(fā)出的頻率來評估其健康狀況，從而決定是否在該植物上產(chǎn)卵或覓食。

同時，鄰近的植物也可能感知到這些震動，從而做出預(yù)警反應(yīng)，例如在檢測到周圍植物的干旱信號后，提前調(diào)節(jié)自身的滲透壓、以應(yīng)對即將到來的水分短缺。

這種跨物種或同類間的隱秘互動，揭示了一個比我們想象中更加嘈雜、更復(fù)雜的植物感官世界。

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▲苜蓿夜蛾作為夜蛾科昆蟲，聽覺器官能夠感知超聲波，其聽力范圍與受壓植物發(fā)出的超聲波頻率（通常為40-80kHz）存在重疊區(qū)間。相關(guān)研究已證實，部分夜蛾科物種能夠利用植物發(fā)出的超聲波信號來評估宿主植物的健康狀況，從而指導(dǎo)產(chǎn)卵決策。?Linda Wong 攝影 | 海潮天下（Marine Biodiversity）

從實際應(yīng)用的角度來看，這項發(fā)現(xiàn)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供了新的思路。如果能夠開發(fā)出低成本的聲學(xué)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，農(nóng)民就可以在農(nóng)作物尚未枯萎、肉眼還無法察覺干旱跡象時，就精準(zhǔn)掌握田間的灌溉需求。這種基于聲學(xué)反饋的農(nóng)業(yè)管理方式，可以大幅提升水分利用效率，還能減少因識別滯后導(dǎo)致的作物減產(chǎn)。

目前，研究人員正進一步探索在自然野外環(huán)境下捕捉并解析這些聲音的可行性，試圖厘清在真實復(fù)雜的生態(tài)背景中，究竟誰才是這些信號的最終聽眾。

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信息源 | Khait, Itzhak, et al.

文 | 盧曉雨

指導(dǎo)老師 | Linda

排版 | LXY

時間 | 2026年4月

歡迎投稿 | editor@oceanbiodiversity.cn

【參考資料】

感興趣的海潮天下（Marine Biodiversity）讀者可以參看該研究的全文：

“Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative” by Itzhak Khait, Ohad Lewin-Epstein, Raz Sharon, Kfir Saban, Revital Goldstein, Yehuda Anikster, Yarden Zeron, Chen Agassy, Shaked Nizan, Gayl Sharabi, Ran Perelman, Arjan Boonman, Nir Sade, Yossi Yovel and Lilach Hadany, 30 March 2023, Cell.

DOI: 10.1016/j.cell.2023.03.009

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