用电脑设计作物，能帮助农民多快好省地栽培出他们需要的作物。科学工作者预言令人振奋的未来：在屏幕上设计出虚拟的作物，然后即可培育出与具有最佳品质的虚拟作物相媲美的真实作物。这将是农业领域的一场革命

当几维果树出现在电脑屏幕上时，吸引了全场的观众：芽发出来了，开始长大了。叶片展开了，花儿盛开，果实开始成长了——一整年的生命周期被缩至不到1分钟的时间。这一镜头实在令人难忘，但高潮还在后面。

虚拟几维果的开发者想证明计算机模型的实际价值，于是给几维果种植者提出一个实际问题。他们给观众提供模型所用的详细的土壤和气候条件，然后提问：“你们预料在何处会长出最甜的几维果——藤的末梢附近呢，还是靠近苗木中部？”一些经验丰富的种植者提出了一些试探性的意见，但似乎都不太有把握。而电脑科学工作者一按按键，屏幕上就显示了答案。藤蔓上的几维果慢慢地转为深浅不同的红色，在最厚的天蓬下面，苗木内部发出最红的颜色——它表示最甜的几维果。

要使这种计算机模型成为现代农业的适用工具，还有很长一段路，但该镜头展示了探索作物的组织和生长的三维计算机模拟这一全球性科研课题。该项技术的支持者估计：由为电影、飞行仿真器和计算机博弈等建立的三维图解所应用的虚拟现实技术可以推知，最近这种发展将改变作物培育的方式甚至销售方式，更将指出未来作物非常理想的品质。

在新西兰政府资助的Hort研究所帮助创造虚拟几维果的加思 · 史密斯（Garth Smith）预期有朝一日计算机模型将会成为农民参与竞争必不可少的工具。他说：“目视观测即将成为过去的一种方法，复杂的信息易于通过很简单的手段获得。”然而农民还远未认识。“种植者认为计算机模型实在令人惊异”。日前，新西兰几维果销售局拨给Hort研究所160万新西兰元的课题捐款以开发虚拟作物——这与别处的工业赞助比起来是一个不小的数字。

该项研究大部分在新西兰、澳大利亚、法国和加拿大等地进行，美国、英国和其他各地一些研究小组间或也涉及该领域。他们均在认真研究一系列课题，其答案一般被认为在于作物的三维结构。例如在新西兰，果树种植者渴望增加出口，研究工作者正在研究水果的味道依作物的生长地不同而变化的情况。在澳大利亚，植棉业正在寻找对环境无害的对付病虫害的方法，研究工作者在研究如何改变作物的形态，通过破坏害虫喜欢的藏匿处或断其粮道来控制其蔓延。

直到四、五年以前，用处理图解所需的高功效计算机来做这种推理工作还过于昂贵。然而，随着演算动力的逐渐便宜，作物模拟已真正开始起飞，虚拟现实法用的设备和软件也获得了进展。史密斯记得，开始为早期计算机模型收集数据时，他和同事要花两周时间以测量用的光学经纬仪去标出描述一颗成熟的几维果或苹果树所需的3000个点。而现在使用类似于虚拟现实设备的头盔和手套中的那种跟踪器，用不了一天就可完成这一工作。

但硬件只能解决部分问题。“你不能把全世界的每种植物都测绘出来。”史密斯说，而没有两种植物会是相同的。于是研究工作者利用同类植物本质上是定型化的、并由一系列重复成分——芽、叶、茎、花和果实所组成的这一事实，着手建立类模型。在任何一步里，每个芽和叶与任何其他的芽和叶均以同样的基本模式生长。因此可以极简单地把植物的生长分解为这些重复成分的生长的总和。

事实上，虚拟耕作在操作过程中是件很复杂的事情，尤其是因为作物的某一部分的产生往往会影响到另一部分。例如，芽尖的生长带或分生组织会产生抑止近处幼芽生长的激素。园艺家也知道，水果的甜度依离叶——糖分的来源——远近而定。史密斯研究组正在考察这些因素的影响，考察光和温度等环境因素的变化对作物不同部分生长影响的途径。通过分离和模拟这些效应，研究工作者希望能产生可提供真正经济效益的虚拟作物。例如，计算机模型不仅可在数秒内估算出紧邻的叶子对果实甜度所起的作用，而且可以估算出，如叶片被虫害破坏了一定的百分数后其影响将如何。如果不用模型，确定叶与果实之间的相互作用，需要进行长时间繁复的试验。

法国南部Montpellier的国际农业研究发展中心菲利帕 · 雷弗（Philippe de Reffye）领导的另一个研究小组则选取了另一不同途径。他们热心于探索虚拟作物的分支模式，以原来为采矿工业设计地下通道而编写的软件为基础，开发了作物的统计学模型——研究人员发现植物新枝与地下通道两者的分支模式之间的类似，因而把二者按照建立这两套模型的数学方法联系了起来。法国的研究人员记录了在各种环境条件下作物生长的形态。然后他们应用这一资料，以在特定条件下何处以及以何种角度产生枝条，何处长出叶子，何处长果实的几率为基础，得出作物的模型。

虽然史密斯和雷弗建立的模型均以真实作物为基础，但有一个共同的缺点——每类或每属作物均需各自不同的模型。为了解决这一问题，加拿大计算机科学工作者试图使用称作L-系统的符号表示法表示作物的生长，建立起一个通用模型。L-系统是匈牙利生物学家阿里斯蒂德 · 林登曼（Aristid Lindenmayer）在1968年提出作为表示细胞间相互作用的方法，但他不久就意识到也可用该方法描述其他过程，很明显，可用于描述植物的生长。

用字母表示植物的每一部分及其生长发育状态，用一串字符表示植物整体。L-系统用一套描述植物各部分产生情况的法则把二者联系起来。例如，A状态的分生组织，长出了一段茎I，左侧长出了连着一片新叶K的枝条，变成了B状态的分生组织。L-系统符号表示法即用A→l[+K]B表示。B的进一步生长发育，如K叶的长大，可用另外的法则来表示。这些法则合起来，就可际出作物生长的示意图。

虚拟实验室

1990年，林登曼和加拿大Calgary大学的普鲁逊基威克（P · Prusinkiewicz）制出了一系列复杂而逼真的计算机产生的植物图像。在他们称之谓植物学虚拟实验室（Vlab）的实验室里，普鲁逊基威克及其研究组根据林登曼的符号表示法写出的描述，继续研制能描述每一种虚拟作物的生长的软件。利用计算机鼠标器即可改变屏幕上虚拟作物诸如花瓣的形态等特征。有了这种软件，研究工作者就可做作物构造的实验，并可提出“如果发生变化又将怎样？”的问题。例如，枝条长在躯干的不同角度上，叶片展开的程度以及照射其上阳光的多寡会有什么差别，等等。由此可见，可用VLab设计仿真作物的电影全景，将来也许可设计出特定味道的水果。

林登曼原来的描述作物生长规律系统不能用于考虑遗传学因素和环境因素的影响。但现经吉姆 · 哈南（Jim Hanan）（Calgary大学研究组的成员）对其加以扩充和修正，使之能把阳光和水分等环境因素考虑进去，形成了相应的虚拟作物。哈南与布里斯班研究中心的彼德 · 鲁姆（Peter Room）一道，已经使用修正的L-系统，借改变一般模型中支配叶片形态和方向的数值，建立两种棉花逼真的模型。

迄今为止，几乎所有的作物生长模型都集中在作物的地上可见部分。珀斯市西澳农业部的阿特 · 迪格尔（Art Diggle）则采取不同的方法，在研制模拟根部生长的软件，“能取得根部模型比新枝模型更理想，”他说。“使用根部模型，计算机可为我们提供一个看不到的土壤下部的窗口。”尽管收集所需的数据有不少困难，迪格尔已经获得了名为根部图的根部生长的一般模型。它是以观察根尖通过土壤的情况以及何时何处出现分支而创造出来的简单法则为基础，目前他已与Calgary大学的普鲁逊基感克小组联合，修改L-系统符号表示法，使之适于建立根部模型。该联合研究组希望把根部和新枝的模型组合起来，模拟虚拟作物整体。

鲁姆预期该技术会有令人振奋的前景。他认为，农业科学工作者只鲁姆在屏幕上设计出作物，然后就可以培育或从遗传学上操纵可与具有最理想品质的虚拟作物相媲美的真实作物。“组合工具的所有零件都已齐备，我们只要找到一个把它们有效地组装起来的方法，”他说。“在某种意义上，我们已抱定这样的宗旨……研究人员确定了人类需要的是杆短穗大的水稻，我们就立刻培育这种水稻。”鲁姆说，将来，如果计算机模拟显示：叶片大，果实就甜，害虫的隐匿处就少，那么科学工作者可鉴别出决定大叶片的基因，然后把这种基因转接到作物上。

该技术建议者认为，虚拟作物还有助于改善园艺实践。例如，虚拟作物能揭示产生带某种特定滋味的水果的最佳作物修剪法。在土壤一向缺氮的澳洲西部，迪格尔已在做氮如何在土壤内迁移、如何为根部所吸收的模型试验。目的在于把这种氮的模型与根部图结合起来，查明如何使最佳量的氮进入作物。归根结底，这样的实践有助于农民选定在何时何处施用肥料以及用何种浓度。

[New Scientist，1995年5月27日]

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*译注：几维果即猕猴桃