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为什么捕蝇草会数数又能动?

飞雪之灵发表于2016年02月18日20:13:35 | 养花草树 | 标签(tags):捕蝇草 数数 运动

我们都知道,动物区别于植物的最大特点之一,就是具有一套发达的、由数量众多的神经元彼此连接而成的神经系统。这套神经系统,能让动物感知外界环境,控制机体进行快速、有效的运动,甚至在人类中还产生了更为高级的思维活动。而反观植物,由于不存在动物那样的神经系统,因此无论感知还是运动,都要比动物差上一大截了。所以在俗话成语,诸如“呆若木鸡”、“麻木不仁”等中,莫不是用植物来作为感觉和运动迟钝的“反面案例”的。

具有由神经元构成的神经系统,是动物区别于植物的主要特征之一

具有由神经元构成的神经系统,是动物区别于植物的主要特征之一

不过,生物的演化是神奇的。虽然植物不具有动物那样典型的神经系统,但是植物也能采用和神经系统类似的机制来传递信号。而在一些植物中,这种机制更是赋予了它们能够比肩动物的感知和运动能力,从而产生一些令人惊异的特征——生活在北美沼泽中的捕蝇草,就以它捕捉猎物时的准确、敏感和迅速,被达尔文称为“最令人不可思议的植物之一”。

会数数的捕蝇草

在位于北美的原产地,捕蝇草被列入受保护的植物物种,不得随意采集。不过,目前在市场上已经有相当多的人工繁殖的捕蝇草品种,可以供爱好者选购。捕蝇草的植株并不高大,通常只有几厘米高,最高也不过十余厘米。不过,最引人注目的是它那特别的、特化为捕虫夹的叶片:捕虫夹如同蚌壳状张开,上表面呈现出诱人的红色,边缘有十余根长而尖锐的毛。这艳丽的颜色和迷人的外观,使得捕蝇草获得了“维纳斯的捕虫夹”的美名。

会数数的捕蝇草

捕蝇草的植株和捕虫夹

然而隐藏在这靓丽外表下的,是捕蝇草冷酷无情但又引人入胜的一面——它能以十?#31181;?#19968;秒的速度和极大的力度,捕捉碰触到它捕虫夹的猎物,速度之快力度之大,甚至连小型蛙类都无法逃脱这一陷阱。而它又是如此的敏感和准确,不但能“判断”落到捕虫夹上的是否是猎物,甚至还能根据猎物挣扎?#26408;緦页?#24230;,来“决定”该分泌多少消化酶。

捕蝇草的植株和捕虫夹

捕虫夹十分灵敏和快速

捕蝇草的这种判断能力,是依靠“计数”来实现的。在捕蝇草捕虫夹的内表面上,?#26893;?#30528;数根刚毛。这些刚毛,就是触动捕虫夹关闭的“扳机?#20445;?#22240;此被称为触毛。有意思的是,当只有一根触毛被碰触时,捕蝇草不会做出任何?#20174;Α?#19981;过此时,捕蝇草已经开始了计数。如果在约30秒内,同一根触毛被再?#38395;?#35302;,或者有另一跟触毛被碰触,那么“扳机”就会被触发,捕虫夹迅速关闭夹住猎物。如果超过30秒没有第二?#38395;?#35302;,那么捕蝇草就会“忘记”第一次计数,重新开始。

捕虫夹十分灵敏和快速

捕虫夹内表面上的触毛

当捕获猎物后,捕蝇草的“计数”依然没有结束。如果当猎物继续挣扎,碰触触毛超过约5次时,捕蝇草的捕虫夹就开始分泌酸液和各种酶类,猎物挣扎的越剧烈,触碰的触毛次数越多,捕蝇草就会分泌更多的酸液和消化酶。直到几天后猎物被完全消化、分解,捕蝇草感受到叶片内猎物分解产物浓度的变化时,捕虫夹才会渐渐张开,让风吹走猎物的残骸,等待另一只猎物?#37319;?#38376;来。

捕虫夹内层的腺体

捕虫夹内层的腺体

捕蝇草的这种“计数”能力,可以排除一大部分由于随机环境因素而造成的“假像?#20445;?#36824;能有效节约消化猎物所需的物质、能量投入。这种“精打细算”和“凶猛强悍”的特性,使得捕蝇草能在环境恶劣的沼泽中生存下来,同时也吸引了一大批科学家来研究这些特性背后的机制。

一切都是电

那么,捕蝇草是如何做到这精巧的计数和运动能力呢?#30475;?#26696;可以浓缩为一个字:电。

我们都知道,动物神经系统内信号的传递,依靠的是电。对于神经细胞来说,由于细胞膜表面一些运输离子的载体蛋白作用,会造成细胞内外离子浓度的差异,从而使得细胞膜两侧的电位不同,通常,细胞内的电位比细胞外低70~90mV。这被称为“静息电位”。而当细胞兴奋时,细胞膜上另一些载体蛋?#29366;?#24320;,使?#20040;?#27491;电的离子流入细胞,细胞膜内电位升高甚至超过细胞外电位,然后再逐渐恢复到原始状态,由此形成一个电位剧变过程,这就被称为动作电位。神经系统就是依靠动作电位在神经细胞上的传递而工作的。

捕蝇草和动物的神经、肌肉组织一样,都能产生动作电位

捕蝇草和动物的神经、肌肉组织一样,都能产生动作电位

不仅仅是神经细胞,动物几乎所有细胞都存在或高或低?#26408;?#24687;电位。而对于植物细胞来说,同样存在静息电位——只不过静息电位通常低于动物细胞而已。此外,由于不同细胞间可以依靠胞间连丝相互连接,因此形成的动作电位也同样可以在细胞间进行传递。这种电信号的传递十分类似于动物,不同的是动物的神经细胞中动作电位的传导和传递有着明确的方向性,而植物则主要以弥散的形式将动作电位扩散到整个组织中。这正好造就了捕蝇草迅速运动的基础——“扳机?#21271;?#35302;发后形成的动作电位,能够迅速传遍整个捕虫夹,收到这一信号的内表面以及中脉上侧细胞,会同时将水排出细胞,而外表面和中脉下侧细胞,则获得了水分。这样,原?#23601;?#24352;的捕虫夹会由于内外侧快速出现的“液压差”而突然闭合、内卷,从而迅速捕捉住猎物。

捕虫夹的关闭是由电信号触发的细胞水?#31181;?#26032;?#26893;?#24341;起的

捕虫夹的关闭是由电信号触发的细胞水?#31181;?#26032;?#26893;?#24341;起的

那么,捕蝇草又是如何“计数”的呢?这一问题目前还没有完全搞清楚。不过,一个很有可能的机制是钙离子浓度。对触毛的一?#38395;?#35302;,会造成一些钙离子进入细胞,但这只能引起触毛周边小?#27573;?#20869;细胞的兴奋,并不会大?#27573;?#25193;散,且只能?#20013;?#19968;定的时间。只有当在这一定时间内再?#38395;?#35302;触毛时,才能使得足够多的钙离子进入细胞,从而引发足够强的细胞兴奋,并将这?#20013;?#22859;传递到整个捕虫夹,来完成捕虫动作。此外,猎物对触毛的多?#38395;?#35302;,也会使得细胞?#20013;?#20852;奋,诱使腺毛分泌更多酸性液体和酶。

植物电,其实不少见

其实,植物的这种生物电现象是普遍存在的。我们所熟知的含羞草叶片碰触后闭合、下垂的运动,其实与捕蝇草一样,都是受到机械刺激后产生的电信号传递到植物其他部位,进而引起细胞水分?#26893;?#21464;化所致。

电信号的传导使得含羞草枝叶运动

电信号的传导使得含羞草枝叶运动

除了这些进行快速运动的植物外,即使是在普通植物中,也能检测电信号的存在,并且可能参与到植物的多种生理过程之中。目前,对这种植物电信号和生理过程间关系的研究,已经形成了专门的“植物电生理”学科。不少研究表明,对植物进行触摸、损伤、灼烧等刺激时,都能检测到电信号的产生,并且这些电信号可以快速的沿着维管束等组织进行传导。目前有研究认为,植物体内产生的电信号,可以诱发植物细胞分泌响应环境刺激的植物激素,来调节植物的生长状态。可见,这种植物内的电-化学波信号传递模型,与动物的神经-体液调节系统,有着异曲同工之妙。从这点来说,植物虽然没有神经,但可以看作具有能够调控其生命运动的“神经系统”了。

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