一场民科与专业科学家的较量

作者: 小叶

来源: 返朴

发布日期: 2023-03-21 08:11:59

本文讲述了一位民间科学家Jacob White与专业科学家Ernesto Gianoli关于避役藤叶片拟态机制的研究较量。White提出了避役藤可能具有视觉的假说,并通过实验观察到避役藤能够模仿人造叶片的形态。这一发现引发了科学界的广泛讨论和争议,涉及实验设计的合理性、数据分析方法的正确性以及利益冲突的披露等问题。尽管面临质疑,White和合作者Yamashita坚持自己的研究成果,并计划进一步深入研究。

在南美智利的热带雨林中,生活着一种天赋异禀的藤蔓,叫做避役藤(Boquila trifoliolata)。它们攀缘着树木或其他植物而生,时间久了,叶片也会长变,“跟谁就像谁”。甚至,它们还会模仿相隔一定距离、并无接触的其他植物叶片,“看上了就变成它”。

早在19世纪,就有博物学家发现并描述了避役藤叶片的神奇功能。在植物学界,这种能力被称作“拟态”(mimicry)。可避役藤究竟是怎么做到的,科学家始终未能解释清楚具体的机制。智利拉塞雷纳大学(University of La Serena)的植物生态学家Ernesto Gianoli对避役藤的研究断断续续近十几年,是该领域的重要学者。

2010年,在一次野外调查中,Gianoli意外发现避役藤叶片能够模仿20多种植物叶片的尺寸、形状和色彩。2014年,他在《当代生物学》(Current Biology)期刊上发表论文,推测避役藤叶片拟态能力有两种可能的机制:第一种是“挥发性化学物质传播”。第二种是“植物间基因水平转移”。

到了2021年,Gianoli团队在避役藤叶片拟态机制方面的研究又有了新进展。11月,他们在《科学报告》(Scientific Reports)上发表文章称,利用基因测序技术,发现避役藤拟态叶片和“原型树叶”之间存在相似的微生物组群,这暗示了微生物可能参与拟态行为,但仍需进一步的实验来验证这个推论。

就在这时,一位民间科学家(civil scientist)出手。他为避役藤的拟态行为提出了一个简单到难以置信的理由:说不定避役藤能看到别的叶子长啥样呢?来自美国犹他州的Jacob White没有任何科研学术背景,也没接受过科研训练,但对科学和植物满腔热情,喜爱阅读科普书籍和科研论文。

White决定自己动手做实验。他随即购买了一株避役藤,让它缠绕在另一株仿真植物上,观察它的长势。果然,避役藤在生长过程中也会尝试模拟人造叶片的形态!White相当兴奋,立刻拍下照片,发送给综述作者之一,波恩大学的Balu?ka教授。取得了初步观察成果之后,White希望 Balu?ka教授能够接手展开更严谨的科学实验。

White开始设计更复杂一点的实验。具体的实验设计如图3所示:四盆避役藤并排放在窗边,置于两根横架下方,一开始,藤蔓独立生长,不攀附任何仿真植物,当长势超过第一根横架之后,让藤蔓缠上仿真植物,继续生长。这样以来,以第一根横架为界限,White就能比较横架上下方避役藤叶片的情况。

四株避役藤展现了神奇的模仿能力。第一年,藤蔓接触到人造植物的部分,叶片明显不同于横架下叶片,但模仿效果不太好。第二年,藤蔓抽出更多嫩芽,新长出的叶片变得更像人造叶片,只是更小一些。随着时间的流逝,避役藤的新叶子长得越来越像人造叶片。

White将整个过程以照片和视频的形式记录下来,通通发送给Balu?ka。教授回复,一不做二不休,干脆发个论文!于是,White把整个研究过程写成一篇文章,投给《植物信号和行为》( Plant Signaling and Behavior )期刊。Balu?ka将文章初稿发送给九位同行评审,其中七人给出了反馈。

形态学分析显示,横架上方看起来发生了拟态的叶片与下方的原生叶片确实有不同,而且靠近藤曼顶部最年轻的叶片与底部最年长的叶片也差异显著。具体来说,顶部叶片的细叶脉(veinlet)更倾向于与其他叶脉连接起来,而底部叶片叶脉的一头往往是开放的。这是激素水平差异的表现:激素参与叶脉图的形成过程,随着藤蔓的生长,细叶脉开放端减少,说明拟态叶片和没有任何拟态叶片中存在不同水平的激素。

这篇由民间科学家White和植物学研究生Yamashita联合发表的论文引发了意想不到的轰动反响。国际生物医学领域的重要学术论文评估机构Faculty Opinions(原F1000Prime)将其选入推荐论文,类别为“新发现”(new finding),评级为“卓越”(Exceptional,最高评级),专家褒奖说它“有助于促进植物感光能力研究的蓬勃发展”。

有褒奖自然也有批评。同领域的研究者们在仔细阅读这篇论文后,对内容本身和发表流程都提出了质疑。避役藤的研究大拿Ernesto Gianoli——没参加论文的同行评审——率先开炮。他指出,实验设计存在一个非常明显的瑕疵:未排除混杂因素(confounding factor)。

其次,论文采用的数据分析方法也被指使用不当。瑞士洛桑大学(University of Lausanne)的植物演化生物学家John Pannell指出,研究测量的是同一株植物的不同叶片类型,说明叶片彼此间并不独立,而论文采用T检验和单因素方差分析(one-way ANOVA)只适用于数据彼此独立、互不干扰的情况。统计方法使用错误,得到的p值也就毫无意义。

第三个质疑便是关于“确认偏误”(confirmatory bias),也叫“证真偏差”。简单来说,科学家太过钟爱自己提出的假说,希望自己的理论是正确的,所以在验证过程中有选择性地使用有利于“假说为真”的方向设计实验、搜集证据、诠释结果。

最后,一个普遍的质疑是缺少利益冲突陈述:《植物信号和行为》的主编Franti?ek Balu?ka也是论文作者Yamashita的导师。根据论文写作规范,作者应该要写明Balu?ka在论文发表流程中发挥了什么作用,只有澄清了作者和编辑之间存在的利益冲突,读者才能在阅读过程中判断这样的利益冲突将会如何影响结果的诠释。

“植物视觉”(plant ocelli)假说在沉寂了一个多世纪之后,由Balu?ka团队所复兴,Balu?ka本人一直坚信植物具有某种类型的视觉,在2016年的综述发表之前,他就带领团队展开实验,以拟南芥根系为研究对象,发现了基于植物特异性光受体的感光机制,提出“根尖单眼(root apex ocelli)”发挥类似晶状体细胞的功能,并进一步推测根系中还存在信息转换区域,类似大脑结构,通过基于光受体的信号传导通路网络来解析植物所处环境的明暗信息,引导根系的生长方向。

因此,不难理解,相信植物根系可能拥有视觉的Balu?ka会支持White展开实验并发表论文,因为这会是证明“植物视觉”假说的另一个重要证据。Balu?ka 与Yamashita的最新合作论文再次强调了“植物视觉”理论,以自己先前的相关研究和White的研究为证据,提出植物单眼从藻类单眼演化而来,是植物复杂感官系统的一部分,并且引导植物的认知行为。

面对Gianoli的质疑,Balu?ka解释说,叶片拟态即改变自身结构的空间排列方式,而改变的前提是要对模仿对象的形状或尺寸有概念,得先通过某种类型的视觉“看”到对方的“样貌”,之后才能模仿,而化学物质在这方面发挥不了作用。双方始终各执一词。

White和Yamashita则积极捍卫自己的研究成果,Yamashita表示已经在着手计划下一步研究。他们要增加避役藤、改进对照组设置,复现White的实验结果;还要与佛罗伦萨大学的Mancuso团队合作,从植物电生理学方面展开调查,以探索当其他植物出现在避役藤附近时,藤蔓内是否会突然产生电活动。

Gianoli则希望进一步展开野外调查,看能否解释清楚植物拟态能力的机制。无论答案如何,如果研究人员最终能揭开谜团,答案可能会成为生物学的重要新基础。

别看Gianoli带头质疑“民科研究”,他对Jacob White这位民间科学家的研究过程本身倒是给出了很高的评价:“人们能在自家种植避役藤,这简直太让我激动了。”其实无论是Gianoli还是Balu?ka都曾在实验室尝试过培育避役藤,但不知何种原因,避役藤都长不好,结果也就没法继续深入研究。

Gianoli说:“我们作为科学家,需要这样大胆的方法,也需要跳出常规的思维框架。但同时我们也不应该忘记规范,明确什么算是证据,什么不是证据。”“我相信植物科学到时候会经历巨大的变革。”White说,“每天都有新文章发表,揭示植物有多神奇,我很自豪我是其中一员。”

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