捕蝇草竟有7秒钟的记忆?

行至大暑时节,不只“暑”气旺盛,“暑”不尽的苍蝇更是漫天飞舞,有不少不懂事的甚至会直冲你的面门,真想问问它们:”你礼貌吗?”

图片[1]-捕蝇草竟有7秒钟的记忆?-建设查—建设美好生活新章程

即使躲回安了纱窗的家里,它们依然会从不知名的角落里冒出来,嗡嗡嗡嗡地向你叫嚣。这时,烦躁的你总想除之而后快!

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图源:《大话西游》

只是,跟苍蝇微小但风骚的走位相比,我们灵长类往往心有余而力不足。于是,很多人开始寄希望于自然界出手更快的捕蝇手,比如捕蝇草。

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盛名在外的捕蝇草能捕苍蝇么?

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捕蝇草的捕虫荚能够在0.1秒内出手,速度快到几乎看不见,它们的两个由叶片顶端发展而来的夹子能够迅速闭合,形成一个致命的牢笼,看起来似乎没有哪种植物比这种长“睫毛”的草更适合于捕蝇了,因此它们在中西方拥有近乎一致的名字:捕蝇草/Venus flytrap。
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快速闭合的捕蝇草
图源:wiki
但不好意思,捕蝇草要让大家失望了。实际上,它们捕获的猎物之中几乎没有什么蝇类,甚至没有多少飞得灵敏的昆虫,它们的主要食物是蚂蚁、甲虫、蜘蛛和蚂蚱这些飞不怎么起来的虫子们。
这不怨捕蝇草,人家从来也没计划捕苍蝇。
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捕蝇草的快速捕虫机制

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捕蝇草不擅长捕捉苍蝇,可能与它们的捕虫机制有关。
捕蝇草(Dionaea muscipula)仅分布于美国东海岸一小块区域,虽然只是一株小小的草本,没开花时植株的高度不超过十几厘米,但它们的捕虫叶一个个莲花般地从基部抽出来,看起来也算声势浩大。
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图源:pixabay
尽管体型娇小,但它们每一个叶子顶端形成的捕虫夹却有着与体型不相称的大小,摊开来时像个小巴掌似的,当一片片“巴掌”伸出来时,它们看起来光鲜而迷人。
它们摊开的捕虫夹虽然是陷阱,但看起来鲜艳,闻起来芳香,这是它们为了捕虫而设计的饵料。你几乎可以说它们的捕虫夹近似于一朵花,因为它们使用了花惯用的技俩来吸引动物,不仅色香俱在,夹子中心还藏着蜜。
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捕蝇草鲜艳的夹子,夹子中间流着蜜
图源:wiki
走进捕蝇草中心的动物才能发现它们的真面目。它们的捕虫夹能够感知到动物的到来,在捕虫夹两侧靠近中心的位置,每一边都分布着三四根刺毛,它们无比敏感且智慧,不仅能够感知到动物的触碰,还能计算触碰的次数
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捕蝇草的感应毛
图源:wiki
这是一种防止无效触发的机制,只与刺毛接触一次的可能是雨滴与落叶,但如果有两次接连的触碰,几乎可以认定是动物在捕虫夹上爬行。
这会迅速地在捕虫夹上形成动作电位,电信号的传导会触发一系列的连锁反应,导致水通道与钙离子通道等位于细胞膜上的离子通道打开,让夹子的内层迅速地失水,夹子的反面则会在重力作用下迅速反弹,啪地一声,0.1秒内,捕虫蝇的夹子会立即闭合起来,夹子边缘的“睫毛”交错地互相嵌合在一起,将夹子锁紧,仿佛一双锁住的祷告手。
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闭合的捕蝇草夹子
图源:istockphoto
很可惜,捕蝇草并不是在为猎物祷告。动物在夹子中挣扎时,敏感的刺毛会受到进一步刺激,促使捕蝇草再次确认猎物来临的信号。
之后,捕蝇草会毫不留情地将夹子握的更紧,同时,夹子内部的腺毛开始分泌一系列消化酶,慢慢地,猎物会被消化殆尽,只剩下一具空的外骨骼。最多十天,这些捕虫夹子又会再度打开,为下一轮捕虫做准备。
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食虫植物界的内卷达人

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捕蝇草独自发展出不同于任何一类食虫植物的捕虫策略,它们长久地吸引着科学家的注意
达尔文就对捕蝇草十分着迷,他对捕蝇草的闭合开关进行了许多实验:用管子对着捕虫夹吹气、在捕虫夹子上放置各种物品,看捕蝇草能否感知到猎物的味道来关闭夹子……结果可想而知,迷团并没有被达尔文解开。
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达尔文在著作中描述了他对捕蝇草做的实验
图源:Carnivorous Plant Nursery
捕蝇草闭合之迷最终被一位研究动物电脉冲信号的生理学家解开。他将电极放在捕蝇草夹子上,捕捉到了动作电位。后来我们才了解到,微弱的电流刺激就足以使它们快速闭合,这意味着植物体内有类似动物的神经信号传导机制
更加令人惊奇的是,捕蝇草还拥有近二十秒的短时记忆。一次单独的触碰会激发捕蝇草的电信号,但并不能够使它们关闭,直到第二次触碰,刺激积累的电压才足够让它关闭,而在这两次之间,记忆会保留二十秒左右。
种种精巧的设计表明,捕蝇草是一类足够特化且独树一帜的食虫植物。但它们也并不是平地起高楼,现代分子学研究表明,捕蝇草是一类特化的茅膏菜。
茅膏菜的捕虫设计才更像捕蝇手,它们伸出的触手上布满一根根支起来的腺毛,腺毛上有很多亮晶晶的粘液,整体设计思路与我们的捕蝇板是一致的。它们擅长捕获小型的飞行昆虫,飞行而过的昆虫一旦接近,会立即被粘住,紧接着席卷而来的腺毛会将昆虫缚住,粘住它们,将其消化。
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茅膏菜中有着捕蝇草的演化线路,有些类群已将捕虫腺毛集中到顶端并变得宽大(b、d)
图源:参考文献
捕蝇草在此基础上将特化的捕虫叶部分增大了,腺毛也退化了,变成了夹子上交错闭合的“睫毛”,虽然从粘蝇板变成了捕兽夹,在捕获飞行昆虫上并无优势,但在捕猎体型较大、爬行更多的甲虫、蜘蛛、蝗虫类时会更加高效。
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捕蝇草的演化像是一场茅膏菜中的食虫内卷,对猎物的分化一步步催生了捕蝇草独特的针对更大型昆虫的捕食技巧。宽大的捕虫夹、快速闭合的机制、封锁的消化笼无一不暗示着是生存竞争打造了这个自然界优秀的捕虫大佬。
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捕蝇草电信号的研究
图源:参考文献
从达尔文开始,我们一点点弄清楚了捕蝇草的感应机制、信号传导、演化位置。针对捕蝇草的研究使我们确定了植物也有触感,存在着类似神经传导的电信号,甚至植物有没有记忆、会不会记数……所有这些都远比用它们来捕蝇更有意义。针对捕蝇草的研究不会停止,相信科学家们能从中挖掘到更多秘密。
参考文献:

1. Gibson T C, Waller D M. Evolving Darwin’s ‘most wonderful’plant: ecological steps to a snap‐trap[J]. New Phytologist, 2009, 183(3): 575-587.

2. Böhm J, Scherzer S, Krol E, et al. The Venus flytrap Dionaea muscipula counts prey-induced action potentials to induce sodium uptake[J]. Current Biology, 2016, 26(3): 286-295.

3. Volkov A G, Adesina T, Markin V S, et al. Kinetics and mechanism of Dionaea muscipula trap closing[J]. Plant physiology, 2008, 146(2): 694-702.

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科学审核:核心 上海自然博物馆(上海科技馆分馆)自然史研究中心
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