论一棵小草是如何“吃”到肉的：捕蝇草的秘密

研究人员发现，捕蝇草陷阱中的触觉传感器会对微小的压力刺激做出反应，将它们转换成电信号，导致陷阱关闭。

捕蝇草能识别猎物的大小。

身体虽然局限在特定的位置，但植物进化出了各种独特的方法来获得必须的营养。大多数植物凭借根系吸收土壤中的物质，但那些生活在贫瘠土壤中的植物呢？此时不得不提的，就是诸如捕蝇草一类的肉食性植物了。

捕蝇草原产于美国东海岸的北卡罗来纳州和南卡罗来纳州的湿地，除了通过根从土壤中吸收营养，它们还进化出了一个个由扁平叶片构成的陷阱，能够在不到一秒钟的时间内迅速闭合，将猎物困在其中。

这些扁平叶片上具有可以感知猎物的绒毛，而且由于猎物的体型有大有小，不能太挑剔的捕蝇草也相应具备了大小各异的陷阱。

现在，来自德国维尔茨堡大学和英国剑桥大学的研究人员发现，这些陷阱中的触觉传感器会对微小的压力刺激做出反应，将它们转换成电信号，导致陷阱关闭。他们的研究结果发表在最新一期的《自然·植物》杂志上。

“每一个叶片陷阱中都有3到4根多细胞绒毛，这些绒毛是抗扭曲的，但其基底部有一个凹槽。当被陷阱的气味、颜色或花蜜吸引而来的昆虫触碰到绒毛时，就会促使绒毛从底部弯曲，进而导致这一区域的感觉细胞一边被拉伸，另一边挤压到一起。”Rainer Hedrich教授解释道。

作为维尔茨堡大学第一植物学教授的生物物理学家和植物研究者，他研究食肉植物已经有一段时间了。

当感觉细胞以这种方式变形时，触觉传感器的反应是将机械能转化为电信号，触发动作电位从底部迅速传播到整个陷阱。随后，如果绒毛在短时间内被再次触碰，同一过程会再次启动，而且只有此时，陷阱才会真正关闭。

但昆虫把绒毛弯曲到何种程度？可以被捕蝇草探测到的昆虫的最小体型和重量又是多少呢？带着这些问题，Hedrich教授开始了他最近的这项研究。

“从一开始我们就知道，用飞虫来寻求答案是不容易的。”Hedrich教授解释说，因此他们选择了蚂蚁作为捕蝇草的猎物。剑桥大学生物力学专家和蚂蚁专家Walter Federle教授为维尔茨堡植物科学家的实验提供了必要的专业知识和支持。

如何让蚂蚁按指令触碰捕蝇草的绒毛呢?为了解决这个问题，Federle教授选择了切叶蚁。这种蚂蚁经常往返于觅食地点和巢穴之间。

在实验中，他在一个切叶蚁群的觅食路径上安装了单陷阱叶瓣。然后，他用高速摄像机监控捕蝇草路上的蚂蚁，并记录下了所有的接触。此后，Federle经分析得出结果：绒毛最小和最大弯曲角度分别为3.5和7.5度。

现在，为了确定触发捕蝇草动作电位所需的角度和力，科学家们用配备了特殊力传感器的电脑控制微型机械手取代了蚂蚁。微机械臂会逐渐变化角度与绒毛接触。

“我们惊讶地发现，在绒毛弯曲2.9度的时候，我们的电压检测器就已经记录到了动作电位。”该研究的主要作者、海德里奇教授所在系的科学家Sonke Scherzer博士说。这意味着在切叶蚁最初与捕蝇草轻微接触时，这种神奇的植物就已经有所察觉。

蚂蚁或家蝇在行走时产生的力大约相当于它的体重。因此，一只重达10毫克的苍蝇能够产生100微牛顿的力，这个力足以轻易地激发一个大的陷阱。然而，如果一只体重仅为3毫克的蚊子最终落入如此巨大的陷阱时，绒毛不会发生弯曲。

但由于蚊子也是重要的营养来源，捕蝇草在进化过程中也进化出了更小的陷阱。这些微型捕蚊器也能对重量较轻的蚊子所产生的较小的力量做出反应。Hedrich教授解释说:“绒毛敏感性随陷阱大小而调整对经济效率至关重要。”

毕竟，重新打开一个大的陷阱比打开一个小的陷阱耗费的能源要多得多。“如果体重过轻、营养不足的被捕食昆虫能够触发大型陷阱，那么成本效益比就会变为负值，最坏的情况下，捕蝇草会慢慢饿死。”

此外，一旦陷阱关闭，昆虫通常不会束手就擒。相反，它会挣扎着试图逃跑，并在恐慌中不断地触摸绒毛，进而在两小时内触发多达100个的动作电位。据Hedrich教授说，捕蝇草会考虑这些电信号，并启动相应的反应——从消化酶的产生和排泄，到从分解的猎物身上吸收营养。

在另一项实验中，科学家确定了一个小时内，一根绒毛被刺激的频率。“从十分之一赫兹的频率，也就是每十秒钟一次刺激后，绒毛就会开始显示出疲劳的迹象。”Sonke Scherzer说。

在更高的频率下，当绒毛受到刺激时，其动作电位不再被触发，最终电活动根本不会发生。当科学家们将重复的刺激程序中断一分钟后，绒毛则又完全恢复了它的机电特性。

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未来，科学家计划研究捕蝇草是如何计数的以及为什么绒毛会在高频率接触后停止反应。为此，他们将分离绒毛和感觉细胞，并确定一些特性，例如将触觉信息转化为电信号的离子通道的疲劳和恢复。

◎编译 |Max

◎审稿 |西莫 

◎责编 | 张梦

◎期刊来源 | 《自然·植物》

◎期刊编号 | 2055-0278

◎原文链接：

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

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