論一棵小草是如何“吃”到肉的：捕蠅草的秘密_風聞

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研究人員發現，捕蠅草陷阱中的觸覺傳感器會對微小的壓力刺激做出反應，將它們轉換成電信號，導致陷阱關閉。

                  

捕蠅草能識別獵物的大小。

身體雖然侷限在特定的位置，但植物進化出了各種獨特的方法來獲得必須的營養。大多數植物憑藉根系吸收土壤中的物質，但那些生活在貧瘠土壤中的植物呢？此時不得不提的，就是諸如捕蠅草一類的肉食性植物了。

捕蠅草原產於美國東海岸的北卡羅來納州和南卡羅來納州的濕地，除了通過根從土壤中吸收營養，它們還進化出了一個個由扁平葉片構成的陷阱，能夠在不到一秒鐘的時間內迅速閉合，將獵物困在其中。

這些扁平葉片上具有可以感知獵物的絨毛，而且由於獵物的體型有大有小，不能太挑剔的捕蠅草也相應具備了大小各異的陷阱。

現在，來自德國維爾茨堡大學和英國劍橋大學的研究人員發現，這些陷阱中的觸覺傳感器會對微小的壓力刺激做出反應，將它們轉換成電信號，導致陷阱關閉。他們的研究結果發表在最新一期的《自然·植物》雜誌上。

“每一個葉片陷阱中都有3到4根多細胞絨毛，這些絨毛是抗扭曲的，但其基底部有一個凹槽。當被陷阱的氣味、顏色或花蜜吸引而來的昆蟲觸碰到絨毛時，就會促使絨毛從底部彎曲，進而導致這一區域的感覺細胞一邊被拉伸，另一邊擠壓到一起。”Rainer Hedrich教授解釋道。

作為維爾茨堡大學第一植物學教授的生物物理學家和植物研究者，他研究食肉植物已經有一段時間了。

當感覺細胞以這種方式變形時，觸覺傳感器的反應是將機械能轉化為電信號，觸發動作電位從底部迅速傳播到整個陷阱。隨後，如果絨毛在短時間內被再次觸碰，同一過程會再次啓動，而且只有此時，陷阱才會真正關閉。

但昆蟲把絨毛彎曲到何種程度？可以被捕蠅草探測到的昆蟲的最小體型和重量又是多少呢？帶着這些問題，Hedrich教授開始了他最近的這項研究。

“從一開始我們就知道，用飛蟲來尋求答案是不容易的。”Hedrich教授解釋説，因此他們選擇了螞蟻作為捕蠅草的獵物。劍橋大學生物力學專家和螞蟻專家Walter Federle教授為維爾茨堡植物科學家的實驗提供了必要的專業知識和支持。

如何讓螞蟻按指令觸碰捕蠅草的絨毛呢?為了解決這個問題，Federle教授選擇了切葉蟻。這種螞蟻經常往返於覓食地點和巢穴之間。

在實驗中，他在一個切葉蟻羣的覓食路徑上安裝了單陷阱葉瓣。然後，他用高速攝像機監控捕蠅草路上的螞蟻，並記錄下了所有的接觸。此後，Federle經分析得出結果：絨毛最小和最大彎曲角度分別為3.5和7.5度。

現在，為了確定觸發捕蠅草動作電位所需的角度和力，科學家們用配備了特殊力傳感器的電腦控制微型機械手取代了螞蟻。微機械臂會逐漸變化角度與絨毛接觸。

“我們驚訝地發現，在絨毛彎曲2.9度的時候，我們的電壓檢測器就已經記錄到了動作電位。”該研究的主要作者、海德里奇教授所在系的科學家Sonke Scherzer博士説。這意味着在切葉蟻最初與捕蠅草輕微接觸時，這種神奇的植物就已經有所察覺。

螞蟻或家蠅在行走時產生的力大約相當於它的體重。因此，一隻重達10毫克的蒼蠅能夠產生100微牛頓的力，這個力足以輕易地激發一個大的陷阱。然而，如果一隻體重僅為3毫克的蚊子最終落入如此巨大的陷阱時，絨毛不會發生彎曲。

但由於蚊子也是重要的營養來源，捕蠅草在進化過程中也進化出了更小的陷阱。這些微型捕蚊器也能對重量較輕的蚊子所產生的較小的力量做出反應。Hedrich教授解釋説:“絨毛敏感性隨陷阱大小而調整對經濟效率至關重要。”

畢竟，重新打開一個大的陷阱比打開一個小的陷阱耗費的能源要多得多。“如果體重過輕、營養不足的被捕食昆蟲能夠觸發大型陷阱，那麼成本效益比就會變為負值，最壞的情況下，捕蠅草會慢慢餓死。”

此外，一旦陷阱關閉，昆蟲通常不會束手就擒。相反，它會掙扎着試圖逃跑，並在恐慌中不斷地觸摸絨毛，進而在兩小時內觸發多達100個的動作電位。據Hedrich教授説，捕蠅草會考慮這些電信號，並啓動相應的反應——從消化酶的產生和排泄，到從分解的獵物身上吸收營養。

在另一項實驗中，科學家確定了一個小時內，一根絨毛被刺激的頻率。“從十分之一赫茲的頻率，也就是每十秒鐘一次刺激後，絨毛就會開始顯示出疲勞的跡象。”Sonke Scherzer説。

在更高的頻率下，當絨毛受到刺激時，其動作電位不再被觸發，最終電活動根本不會發生。當科學家們將重複的刺激程序中斷一分鐘後，絨毛則又完全恢復了它的機電特性。

連西瓜都吃！

未來，科學家計劃研究捕蠅草是如何計數的以及為什麼絨毛會在高頻率接觸後停止反應。為此，他們將分離絨毛和感覺細胞，並確定一些特性，例如將觸覺信息轉化為電信號的離子通道的疲勞和恢復。

◎編譯 |Max

◎審稿 |西莫 

◎責編 | 張夢

◎期刊來源 | 《自然·植物》

◎期刊編號 | 2055-0278

◎原文鏈接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/uow-nef070819.php

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