通常，植物生长在拥挤的环境中，相邻的植物在争夺光线的同时互相遮荫。邻居的存在随着空间和时间的变化而变化，植物已经进化出检测邻居并在远离其阴影的地方生长的能力。虽然人们普遍认为这些反应有助于植物增加个体的光照，但尚不清楚它们如何设法找到集体有益的解决方案。在一项新的研究中，特拉维夫大学和其他地方的物理学家重点研究了向日葵群体中由避荫所介导的自发自组织模式的形成。他们的分析表明，旋转（植物固有的运动）提供了符合有界随机游走的随机扰动。
虽然旋转在植物系统中普遍存在，并且通常与探索性运动相关，但对其作用的定量理解却难以捉摸。阮等人。首次报告了它们在促进拥挤的相互遮荫植物群的最佳生长模式中的作用。图片来源：Manuel H.
特拉维夫大学教授亚斯明·梅罗兹 (Yasmine Meroz) 表示：“之前的研究表明，如果向日葵密集种植在相互遮荫的田地里，它们就会以锯齿形生长——一前一后——以免处于彼此的阴影中。” 。
“通过这种方式，它们并排生长，以最大限度地利用太阳的光照，从而在集体层面上实现光合作用。”
“事实上，植物知道如何区分建筑物的阴影和树叶的绿色阴影。”
“如果它们感觉到建筑物的阴影，它们通常不会改变生长方向，因为它们知道这不会产生任何影响。”
“但如果它们感觉到植物的影子，它们就会向远离影子的方向生长。”
在这项研究中，研究人员研究了向日葵如何“知道”以最佳方式生长（即最大限度地捕获集体阳光）的问题，并在实验室中分析了向日葵的生长动态，它们在实验室中表现出锯齿状生长。锯齿状图案。
梅罗兹教授和同事在高密度环境中种植向日葵，并在生长过程中拍摄它们，每隔几分钟拍摄一次。然后将这些图像组合起来制作一部延时电影。
通过跟踪每朵向日葵的运动，研究人员观察到花朵经常跳舞。
这组作者说，达尔文是第一个认识到所有植物在生长时都会表现出一种循环运动（循环）的人——茎和根都表现出这种行为。
但直到今天——除了少数例子，比如攀缘植物，它们以巨大的圆周运动生长，寻找可以抓住的东西——还不清楚它是人工制品还是生长的关键特征。为什么植物会投入能量以随机方向生长？
“作为我们研究的一部分，我们进行了物理分析，捕捉了向日葵群体中每朵向日葵的行为，我们看到向日葵跳舞以找到最佳角度，这样每朵花都不会阻挡邻居的阳光，”教授梅罗兹说道。
“我们对这种运动进行了统计量化，并通过计算机模拟表明，这些随机运动被共同使用以最大限度地减少阴影量。”
“我们还非常惊讶地发现，向日葵的台阶分布非常广泛，范围超过三个数量级，从接近零位移到每隔几分钟向一个方向或另一个方向移动两厘米。”
梅罗兹教授说：“向日葵植物利用了这样一个事实，即它既可以使用小而慢的步骤，也可以使用大而快的步骤来找到集体的最佳排列方式。”
“也就是说，如果步数范围更小或更大，这种排列将导致更多的相互遮蔽和更少的光合作用。”
“这有点像一个拥挤的舞会，人们四处跳舞以获得更多空间：如果他们移动太多，就会干扰其他舞者，但如果他们移动太少，拥挤问题就无法解决，因为广场的一个角落非常拥挤，而另一边却空无一人。”
“向日葵表现出类似的交流动态——对邻近植物阴影的反应以及无论外部刺激如何的随机运动的结合。”
这结果发表在杂志上物理评论X。
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尚塔·阮等人。 2024. 嘈杂的循环有利于向日葵的自组织避荫。物理评论X14（3）：031027； doi: 10.1103/PhysRevX.14.031027
