來源 Nature 等

編譯 七君

電在自然界里無處不在，地球上的所有動(dòng)物都需要電，因?yàn)閯?dòng)物的神經(jīng)信號(hào)是電信號(hào)，人類的每一個(gè)思想都伴隨著神經(jīng)元放電。所以很自然的，一些科學(xué)家猜想，電或許也和植物的生長(zhǎng)有關(guān)。不過，由于植物沒有神經(jīng)系統(tǒng)，所以它們需不需要電流一直是一個(gè)引發(fā)爭(zhēng)議的問題。

杭州的電氣栽培草莓

@劉濱疆/SCMP

但是在2018年8月，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院和國(guó)家政府機(jī)關(guān)公布了不同氣候、土壤和種植條件下30年電網(wǎng)種菜——電氣栽培實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院稱這是一次大突破。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院從90年代開始就在試驗(yàn)電氣栽培。農(nóng)科院的研究者在地面上3米處支起了裸露的銅電網(wǎng)，通入了5萬伏的快速脈沖電流。5萬伏特是一般家庭電壓的200倍。

農(nóng)科院的電網(wǎng)種菜示意圖

根據(jù)《南華早報(bào)》的報(bào)道，該項(xiàng)目的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一劉濱疆教授表示，電網(wǎng)中的電流只有一安的百萬分之一，“對(duì)植物和附近的人沒有危害”。從戈壁灘到東部沿海的3600公頃大棚參與了中國(guó)政府支持的電氣栽培項(xiàng)目。

他們發(fā)現(xiàn)，使用電氣栽培處理后的作物產(chǎn)量上漲了20-30%，而且這個(gè)數(shù)字是在減少使用農(nóng)藥70-100%，減少使用化肥20%的情況下得到的。

電網(wǎng)種菜真有這么神奇嗎？

關(guān)于電氣栽培，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的植物學(xué)家 Andrew Goldsworthy 表示：“學(xué)術(shù)界爭(zhēng)議很大，支持派和反對(duì)派誰也說服不了誰。在二戰(zhàn)前，關(guān)于電氣栽培的話題就逐漸銷聲匿跡了。”

但實(shí)際上，美國(guó)專利及商標(biāo)局還設(shè)有專門的電氣栽培分類，可以在 plant husbandry 類目下的1.3條看到電氣栽培的條目。

美國(guó)專利及商標(biāo)局關(guān)于電氣栽培的分類

來源：www.uspto.gov/web/patents/classification/uspc047/defs047.htm

不過正如 Goldsworthy 所說，過去許多研究顯示，人工電力的效果不太穩(wěn)定，有時(shí)甚至有反效果。

早在1746年，愛丁堡的 Dr Maimbray 給桃金娘樹枝通了一個(gè)月的電，他觀察到它們又長(zhǎng)出了新枝條。這個(gè)消息傳遍了歐洲大陸，許多人開始模仿，但是結(jié)果不一。

后來在1902年，電氣栽培的先驅(qū)、芬蘭赫爾辛基大學(xué)的地球物理學(xué)家 Karl Selim Lemstr?m 也注意到，北極極光下的植物生長(zhǎng)比溫暖氣候中的植物更為迅速。

這個(gè)觀察給了他靈感，他在植物上方搭設(shè)了一個(gè)電網(wǎng)，電網(wǎng)產(chǎn)生每米10千伏的電壓。Lemstr?m 發(fā)現(xiàn)，在電網(wǎng)下植物生長(zhǎng)欣欣向榮，產(chǎn)量是預(yù)期的1.5倍。在1904年他將這項(xiàng)關(guān)于電氣栽培的研究發(fā)表了出來。

Karl Selim Lemstr?m 的電氣栽培技術(shù)

Lemstr?m 的研究引發(fā)了歐洲許多國(guó)家的效仿。

1900年《自然》的一項(xiàng)報(bào)道指出，俄羅斯的一些科學(xué)家曾經(jīng)用電氣法對(duì)櫻桃和大麥的種子進(jìn)行了催芽處理，效果不錯(cuò)。

俄羅斯工程師 V. A. Tyurin 的研究發(fā)現(xiàn)，種子通了電以后，長(zhǎng)得比沒通電的種子更快更好。他還在土里埋上用電線相連的銅板和鋅板種菜，這樣種出來的土豆的重量是普通土豆的3倍，胡蘿卜直徑可以長(zhǎng)到25厘米那么粗。

另一位俄羅斯工程師 M. Spyeshneff 則在莊稼上面架設(shè)了一個(gè)電網(wǎng)。他發(fā)現(xiàn)，在電網(wǎng)下大麥的生長(zhǎng)和成熟速度加快了12天。

在 Lemstr?m 的研究的激勵(lì)下，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的植物學(xué)家 Vernon Blackman 也做了一些類似的試驗(yàn)。

在1915-1920年間，他也在燕麥、大麥、晚播冬小麥、苜蓿和牧草混合地上架設(shè)了電網(wǎng)，每天給電網(wǎng)通6小時(shí)的電，電壓為40-80千伏。

Blackman 對(duì)電網(wǎng)種菜的效果深信不疑，因?yàn)樵谒?8片試驗(yàn)田里，有14片的產(chǎn)量增加了，有9片試驗(yàn)田的產(chǎn)量比預(yù)期高出30%。和沒有通電的種植田相比，上方通電的燕麥和大麥產(chǎn)量增加了22%。后來，Blackman 還用交流電替代直流電，得到了類似的結(jié)果。

他還發(fā)現(xiàn)，如果給植物通10皮安（10 x 10^-12安培）的電流，就能促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，但是高于10納安（10 x 10^-9安培）的電流則會(huì)阻礙植物生長(zhǎng)。

雖然這聽起來很瘋狂，但是當(dāng)時(shí)的主流社會(huì)和學(xué)術(shù)界信以為真，因?yàn)?Blackman 是榮譽(yù)教授，而且還是英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。

英國(guó)農(nóng)業(yè)、漁業(yè)和糧食部甚至還成立了一個(gè)電氣栽培委員會(huì)，專門研究電氣栽培的可行性。

委員會(huì)成員包括了物理學(xué)家、生物學(xué)家、電氣工程師和農(nóng)業(yè)學(xué)家，其中6位來自皇家學(xué)會(huì)，包括一位諾獎(jiǎng)獲得者，還有一人是當(dāng)時(shí)英國(guó)電力委員會(huì)主席 John Snell 爵士。

而電氣栽培委員會(huì)得到的研究結(jié)果則好壞摻半，這從研究的18年持續(xù)時(shí)長(zhǎng)（1918-1936年）以及最后的被迫解散的命運(yùn)就可以看出來。

1920年，委員會(huì)做了12個(gè)田地試驗(yàn)，其中11個(gè)得到了積極的結(jié)果，其中8個(gè)實(shí)驗(yàn)的增產(chǎn)數(shù)據(jù)是30-50%。不過，接下來的2年的數(shù)據(jù)卻慘不忍睹，因?yàn)?920年雨水過多，而1921年又太干旱。

1922年，委員會(huì)決定放棄大型實(shí)地研究，轉(zhuǎn)戰(zhàn)溫室盆栽。他們把作物種到花盆里，并在上方架設(shè)電網(wǎng)。

那時(shí)候，委員會(huì)又得到了驚人的數(shù)據(jù)——電氣栽培的作物產(chǎn)量高于控制組，其中一盆增產(chǎn)118%。但是在接下來的13年里，數(shù)據(jù)卻向相反的方向傾斜。比如，在1926年73%的作物減產(chǎn)，1932-1935年間沒有增產(chǎn)的跡象。

而美國(guó)同時(shí)期由美國(guó)農(nóng)業(yè)部主導(dǎo)的一項(xiàng)研究也沒有發(fā)現(xiàn)電氣栽培有什么效果。因此在1936年，電氣栽培委員會(huì)被解散。

中國(guó)農(nóng)科院的電氣栽培溫室

@劉濱疆/SCMP

但是后來，電氣栽培學(xué)陸續(xù)得到了一些支持性的結(jié)果。

1962年，加州大學(xué)伯克利分校的生物醫(yī)學(xué)家 Albert Krueger 發(fā)現(xiàn)，電離的空氣的確增加了燕麥的蛋白質(zhì)和糖含量。

Goldsworthy 本人曾在80年代做過不少電氣栽培的研究，他發(fā)現(xiàn)電氣栽培在某些情況下的確能促進(jìn)植物生長(zhǎng)，但是由于操作非常復(fù)雜，應(yīng)用前景不太明朗。

Goldsworthy 和同事 Minas Mina 用高于天然電流幾倍的人工電流為煙草細(xì)胞通電，結(jié)果細(xì)胞按照人工電流的方向重新排列（細(xì)胞極化）。接著，Goldsworthy 和同事 Keerti Singh Rathore 為尚未分化的煙草細(xì)胞通電，電流為1-2微安。結(jié)果，培養(yǎng)皿中煙草的生長(zhǎng)速度增加了70%。

事后，Goldsworthy 為這種方法申請(qǐng)了專利。可是它卻沒有得到商業(yè)重視，因?yàn)樗牟僮鬟^于繁瑣了。

不過，如果電氣栽培的確有效，高壓電網(wǎng)附近的植物豈不是應(yīng)該長(zhǎng)勢(shì)良好？

Goldsworthy 說：“有時(shí)的確有這樣的零星報(bào)告，不過并不能確定這是電場(chǎng)的作用，因?yàn)樵陔娋€上休息的鳥類可能會(huì)給植物‘施肥’。”

中國(guó)農(nóng)科院的電氣栽培電網(wǎng)

@劉濱疆/SCMP

和電氣栽培的多舛命運(yùn)類似，關(guān)于它的原理學(xué)術(shù)界也是眾說紛紜。

植物的確能受到電流的影響。比如氫離子、鈣離子和和鉀離子能夠在植物細(xì)胞之間流動(dòng)，產(chǎn)生的電流大約是每平方厘米0.1微安。

又如，墨角藻的卵子上就有天然的電流，鈣離子會(huì)流入細(xì)胞的某個(gè)特定位點(diǎn)，這個(gè)位置最后就會(huì)發(fā)育為假根（rhizoid），一種類似于根一樣起到固定和支撐功能的結(jié)構(gòu)。

墨角藻 Fucus vesiculosus

@wikipedia

燕麥苗也有天然的電流，而且電流的方向似乎和燕麥的生長(zhǎng)方向有關(guān)，因?yàn)檠帑湹纳L(zhǎng)方向總是平行于電流方向。

作為60-70年代活躍在電氣栽培領(lǐng)域的科學(xué)家，英國(guó)卡迪夫大學(xué)的植物學(xué)家 G.H. Sidaway 認(rèn)為問題的關(guān)鍵在于光照的周期性（photoperiodicity）——在春季和秋季，植物對(duì)電磁場(chǎng)的反應(yīng)不同。

他提出，秋播的作物不適合電氣栽培，因?yàn)樗鼈兊姆N子在發(fā)芽時(shí)，不會(huì)經(jīng)歷春天時(shí)多變的氣候條件和土壤條件變化。英國(guó)電氣栽培委員會(huì)在1925年也注意到了秋播植物不適合電氣栽培的現(xiàn)象。

而在2006年，Goldsworthy 則提出，電場(chǎng)引發(fā)的反應(yīng)，類似于植物對(duì)于雷雨天氣的反應(yīng)。

他說，植物，尤其是生長(zhǎng)在干旱環(huán)境里的植物要利用雷雨天的雨水，那些能夠?qū)子晏炜焖俜磻?yīng)的植物能夠更好地生存下來，從而被演化選擇。

雷雨天16千伏/米的電壓梯度是強(qiáng)降雨的良好信號(hào)。因此，電氣栽培的有效前提應(yīng)該是雨水的配合，否則只會(huì)起到相反的結(jié)果。對(duì)于20年代美國(guó)電氣栽培實(shí)驗(yàn)的失敗，Goldsworthy 的解釋是，試驗(yàn)植物可能受到了沙塵暴的背景電場(chǎng)的影響。

中國(guó)農(nóng)科院的電氣栽培溫室

@劉濱疆/SCMP

而關(guān)于電氣栽培的原理，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院的解釋是，高壓電能夠殺死空氣和土壤中的細(xì)菌和病毒，還會(huì)影響植物表面液滴的表面張力，加速水分蒸發(fā)。此外，電場(chǎng)還能促進(jìn)植物體內(nèi)的粒子運(yùn)輸（比如碳酸氫鹽和鈣離子），增加二氧化碳吸收和光合作用。

劍橋大學(xué)的植物學(xué)家 Mark Tester 總結(jié)道，“在實(shí)驗(yàn)室里，植物生長(zhǎng)當(dāng)然受到電流的影響，這些電流可能和自然界的閃電類似。但是這背后的機(jī)理非常復(fù)雜。”

不論如何，劉濱疆教授對(duì)電氣栽培的未來十分樂觀，“最近的投資都來自私營(yíng)企業(yè)，我們正在向其他國(guó)家，比如荷蘭、美國(guó)、澳大利亞和馬來西亞輸出技術(shù)。中國(guó)在這方面領(lǐng)先世界。”

如果電氣栽培真的性價(jià)比不錯(cuò)，你的下一口米飯，可能是電大的哦。