研究揭示捕蝇草为何能以惊人的速度合拢
研究揭示捕蝇草为何能以惊人的速度合拢
早在1875年，著名生物学家查尔 斯·达尔文就宣称食肉的捕蝇草是世界上“最奇妙”的植物之一。从那时起，科学家就一直试图弄清它为何能在不到1秒的时间内迅速闭合并捕获猎物。6月11日发表于《科学》的一项研究表明，当昆虫爬入捕蝇草的“血盆大口”后，构成捕蝇草“嘴巴”的铰链状叶片外表面的细胞会变软，这使得叶片得以改变形状并铰合关闭。
构成捕蝇草“嘴巴”的叶瓣向内弯曲以捕获猎物。图片来源：Chris Mattison/Nature Picture Library
“这是一篇令人惊叹、非常精妙的论文。”德国达姆施塔特工业大学植物园园长、生物力学研究员Simon Poppinga说，植物可以通过放松细胞坚硬的外壁来促进生长，但这一过程的时间尺度远比捕蝇草的迅速闭合要慢得多。像捕蝇草那样的快速软化细胞现象，科学家此前从未见过。
他补充说，这一发现不仅有助于科学家更好了解植物的基本生理过程，还能启发他们设计出精密的柔性机器人，在构成这些机器人的某种材料的刚度改变时，它们便能迅速启动。
自从达尔文赞叹捕蝇草的“迅捷”以来，研究人员一直在试图解开其背后的奥秘。一些研究表明，当昆虫刺激到了捕蝇草口部的“毛发”时，一股电脉冲会传遍叶片，触发其囚禁并消化猎物。2005年，现属法国艾克斯-马赛大学的物理学家Yo?l Forterre和同事报告称，当构成植物口部的铰链状叶片处于“张开”状态时，其两个叶瓣向外弯曲，处于一种受张力的状态。研究发现，当昆虫落入时，这种力会突然释放，使得瓣片翻转向内弯曲，在短短1/10秒内就能关闭“陷阱”。
21年后，Forterre又解开了另一个谜团。长期以来，研究人员一直争论捕蝇草叶片内的张力究竟是如何释放的。一种理论认为，水分从叶片内表面迅速转移到外表皮的细胞中，导致细胞膨胀从而驱动形状转变。另一种理论则认为，外表皮细胞坚硬的细胞壁会突然软化，从而释放了张力。
通过一系列实验， Forterre和 同事证明了后一种理论是正确的。其中一项实验探测了捕蝇草口部外表皮细胞的硬度。结果显示，在“陷阱”被触发后，细胞确实发生了软化。另一组测量和计算则确定，水分需要30到150秒才能到达外表皮细胞——这一速度太慢了，根本无法解释“陷阱”的瞬间闭合现象。
尽管Forterre对成功揭示这一机制感到欣慰，但他表示，研究并未就此结束，研究团队至今仍不清楚究竟是什么软化了这种植物的细胞壁。不过，通过与植物学专家的交流，他已提出了一些设想。植物细胞壁由柔软的凝胶状基质和坚硬的纤维网组成。一种设想是，当昆虫落入后，捕蝇草释放出一种混合酶，削弱了纤维与基质之间的连接，从而导致细胞壁软化。
相关论文信息：https://doi.org/ 10.1126/science.aed5051