【植物會尖叫】AI拆解植物發聲原理 求與植物對話 應對人類糧食危機
【明報專訊】聽，樹哭的聲音。人感受到痛楚時會尖叫，植物受損時又會否發出（哭）聲呢？最近有研究發現植物乾旱和被修剪時會發出更頻密的聲音，而且借助人工智能可以將其按品種和情况分類。人類距離與植物「溝通」還有多遠的路？記者邀請兩位專家拆解植物發聲的原理，以及掌握植物語言對農業的作用。
物理現象或如脫臼有聲
「如果你去樹林，晚上你會聽到水在樹幹裏面走。有聲的，但有沒有意義呢？純粹運輸（水分）而已。」中大卓敏生命科學教授暨農業生物技術國家重點實驗室主任林漢明指，植物發聲並非新鮮事，不過聲音的意義和發聲機制一直屬於未知的領域。
國際期刊《細胞》今年3月30日刊登了一項研究，獲得不少媒體關注，紛紛以「植物會尖叫」為題吸睛。以色列特拉維夫大學的科學家把番茄和煙草植物放到完全隔音的環境，並以特殊的米高峰聆聽它們發出的聲音。實驗植物分為3類：乾旱、被修剪及控制組，結果發現前兩者明顯發出更多聲音，就像是植物受損時會尖叫。
不過，其中一位參與研究的生物學家Lilach Hadany在一個講座上澄清，不應假設植物是「故意」尖叫，因為研究只是發現植物會發出有資訊（informative）的聲音。如果聲音不是故意發出，那麼植物到底如何發出聲音？科大生命科學部教授李凝指出植物並沒有類似人腦的結構控制聲音產生，雖然暫時未能準確知道聲音的出處，但普遍認為是由物理現象所致。其中一個可能是乾旱及切割減少植物體內水流，令其萎縮，像脫臼一樣產生聲音，「就是你在自己扭胳膊的時候，忽然扭太猛了，你就會聽到胳膊『嘎啦』一聲」。
番茄平時「非常安靜」
研究人員提出聲音也許源於「空化」（cavitation）這個現象，即是氣泡在木質部中形成、膨脹和塌陷，引起震動的過程。植物體內的木質部就像水管一樣，負責水分運輸 ，乾旱和被修剪時會影響水分，改變「水管」的壓力；氣泡因而產生，並在爆破時發出聲音。林漢明以肥皂水為例，「裏面有些氣泡『嘭嘭嘭』爆出來，這就是聲音，不過植物那些就細聲很多」。他強調由於目前沒有方法阻止氣泡產生，所以難以確定聲音的源頭，以「空化」解釋聲音產生只屬另一個可行的推測。
大眾對於植物竟然會尖叫感到好奇，但對於農業研究來說，更有意義的是植物在環境壓迫或蟲咬之下的反應。今次研究嘗試把植物的聲音與兩項壓力因素——乾旱和被修剪連上關係，詳細記錄了在兩種情况下植物所發出聲音的頻率、強度和周期。研究人員形容未經處理的番茄「非常安靜」，平均每小時只會「叫」少於1次，但一棵受壓的植物平均會「叫」30至50次。頻率方面，測試的受壓植物發出約40至80kHz的聲音，超出人類最高20kHz的聽力範圍，所以我們並不會聽到這些叫聲。不過頻率落入老鼠和飛蛾等動物的聽力範圍，研究人員下一步會着眼於牠們以至鄰近植物會否作出反應。
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受威脅時提醒「鄰居」
你我有壓力，植物都有壓力，所指的是當一些外在環境因素處於不正常水平，這些壓力源會阻礙植物生長。壓力源頭包括一些生物因素（如細菌、病毒）和非生物因素（如溫度、酸鹼值），這次研究主要關注乾旱和被切割，林漢明指後者或許是在模仿蟲咬。由於壓力會直接減少農產品收成，因此長久以來有大量相關研究，主要拆解光線、溫度或水分等因素。以往研究發現受壓的植物外觀上有變化，例如顏色和形狀，而面對乾旱或草食動物的威脅時，植物更會釋放揮發性有機化合物（VOCs），影響附近的植物，提高鄰居的抵抗能力。不過聲音相關研究一直較少，在2000年後才陸續出現。
李凝說可能與偵測技術的發展有關，「植物的聲音很弱，在大自然下一場雨都比這個聲音大多了」。因此他認為這次特拉維夫大學的研究並非植物學上的突破，而是研究設備進步了，讓植物發出的聲音更加清楚，就像拍攝太空照片一樣，「以前影星星是模糊的，現在影黑洞是清晰的，就看（似）那個『冬甩』」。
以往聲音研究需要在密封、隔音環境下進行，並利用很精細的接收器量度，否則難以分辨植物的聲音與外在噪音。兩位學者指出這次研究的特別之處在於加入人工智能（AI）分析，林漢明提到AI令聲音分類可以更準確，「不是人去選擇這是真、這是假，是由電腦幫你通過多次模擬去判斷」。研究人員成功利用機器學習（machine learning）開發分類器，分類器經過大量數據訓練之後，可從溫室環境的噪音中區分出脫水番茄的聲音。以前即使接收器記錄了植物的聲音，亦未能作出仔細過濾和分類，今次研究中的分類器則分辨出兩種植物（番茄及煙草）及兩種狀態（乾旱及被修剪），準確度約達70%，可見AI對推動學科研究的作用。
偵測聲音限制多
植物受損時獨特的聲音可望讓人類更了解其狀態，研究人員期望應用於監測農作物的水分及疾病，令農夫更精準地灌溉。林漢明幻想未來或可以聆聽有沒有植物在「求救」，「發出一個音頻，於是打電話去你手機：『喂，無水呀！』如果做得到，你話幾好呢。到時㩒一個掣，旁邊的水龍頭就滴幾滴給它，大家可以通過這些去溝通 」。
不過聲音偵測有其限制，因為接收器不能與植物距離太遠，所以李凝認為此做法較昂貴和低效率。目前有其他方法了解農作物的狀態，例如植物會發出肉眼看不見的光譜，可透過高光譜相機分辨是否受損或乾旱；相機則能安裝在無人機之上，飛一圈便知道植物的狀態。此外，上文提到植物會釋放VOCs，只要拿着便攜式儀器走入農田，量度的難度亦不高。不過無論如何，人類的確邁向聽懂植物語言的第一步。林漢明指今次研究證明植物的聲音不是隨便發出，甚至在不同植物有固定模式，有助驅使將來更多人投身研究。
下一步找出「耳朵」
學習外語除了識聽，還要識講，有朝一日我們能否以植物的語言與它們溝通呢？2017年一項研究把乾旱的植物置於白噪音之下，發現其生存率比放在寧靜環境更高，顯示聲音或能提高植物對抗乾旱的能力。林漢明形容植物很聰明，感覺到自己缺水時會把氣孔關閉，減少水分排出。問題在於人類有什麼方法提醒植物做好準備，舉例現時種植水稻會使用交替灌溉，讓水稻覺得乾旱並減少用水。如果人類能進一步掌握植物語言，或者能夠透過聲音對植物作出預警，提醒它們自行為災害做準備。「天災快要來了，是不是可以播一些『音樂』給植物聽？現在旱災喇，準備喇，大家慳啲（水）洗喇。」林漢明估計如果成事，溫室可能比農田更適合播放聲音，亦可控制音量和強度等。
不過他強調這方面的研究目前仍是起步階段，還有許多問題要解決。比較關鍵是尋找植物接收聲音傳遞的受體（receptor），「它的耳朵在哪裏？人有耳朵聽，植物用什麼（受體）？我們相信植物的感覺應該是一些壓力」。含羞草經觸碰會收縮，顯示它有感應「接觸」的受體，下一步研究在於植物有沒有類似受體去接收聲音。李凝曾研究接觸影響植物生長的機制，透過棉花棒、戴手套的手指和人類頭髮接觸植物。他指出植物感應「聲音」的基因亦已經被發現，而且部分與感應「接觸」的基因重疊。
植物學家早已知道植物會發聲，但要互相溝通不能單靠無意義的頻率，還要解讀聲音背後的信息，至今仍有許多謎團。人工智能或許能夠加快研究速度，讓人類面對氣候變化之時，盡快與植物商量對策，解決糧食危機。
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番茄會說話
研究人員把從番茄錄得的聲音加以處理，並上載至《細胞》網頁的研究結果附錄。記者認為聲音像是打字時的「噠、噠」聲，你覺得呢？（網頁：bit.ly/42OLq2b）
文˙ 朱令筠
{ 圖 } 受訪者提供、資料圖片
{ 美術 } 張欲琪
{ 編輯 } 朱建勳
