植物爱上吃肉 或是环境逼出来的“重口味”

每日一看7个月前发布 小彭
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如今,如果你在中国的一个网购平台上搜索“食虫植物”,就会有数百条结果; 专营肉食植物的店铺不计其数,皇冠店也有20多家,单店粉丝10万+的情况并不少见。

随着暑假的到来,中小学生的科普活动迎来了新的高峰。 世界上有很多食虫植物吗? 在漫长的历史中,植物是如何进化出肉食性(即肉食性)的“爱好”的? 他们如何捕食动物? 在学术界,人们对食虫植物又有哪些新的研究和争论? 也成为了孩子和家长们关心的问题。

食虫目的起源之谜

了解食虫植物,“氮”是绕不开的绝对主角。 所有食肉植物之所以在植物界显得“坚固”,就是为了争取更多的氮。

我们知道,植物吸收无机元素作为营养物质,这些元素来自岩石矿物质的风化以及有机物和动物的腐烂。 氮是植物中含量最丰富的元素,仅次于碳、氢和氧。 没有它,大多数植物将无法完成其生命周期,其他元素也无法取代它。

“氮于1772年被发现,占地球大气层的78%,是氧的四倍,是氨基酸、蛋白质、核酸的重要组成部分。” 美国康涅狄格大学教授迈克尔C杰拉( C. Gera)在《生物学之书》中写道,退化的动植物物质中所含的氮,通过一系列互利关系,形成植物营养物质,被吸收,然后转变为气态并返回到大气中。

学术界普遍认为植物直接从大气中吸收氮,但1837年法国农业化学家Jean- 证明了这种错误,同时也证明植物从土壤中吸收氮。 方式。 氮从无机原料到有机化合物的同化是许多植物细胞的主要代谢活动。

一般来说,草本植物主要在叶子中吸收硝酸盐,而许多树木和灌木在根部吸收这些硝酸盐。 在单一物种内,硝酸盐同化的场所通常取决于硝酸盐的可用性:当硝酸盐丰富时,叶子是同化的主要场所,但当硝酸盐供应有限时,根部成为同化的主要场所。 土壤和叶面无机氮的可用性与植物在氮同化过程中通过一系列复杂操作合成各种含氮化合物的需求有关。

“辽阔的土地上,并不是每一寸都是肥沃的土壤,很多地方都是沙荒地、高山坡地、长期缺乏养分的水域,各种恶劣、贫瘠的环境给植物的生存设置了许多障碍。” 植物科学专家秋溪告诉记者,由于生存压力,食虫植物以自己的方式走上了反击掠食者的道路。

同时需要指出的是,食肉植物并不是单一的物种,而是指能够捕猎并消化吸收某些昆虫和节肢动物的植物群。 它们来自10科17属,共有600至750种。

植物爱上吃肉 或是环境逼出来的“重口味”

捕食能力之谜:叶子结构提供了强有力的昆虫捕捉能力

但食虫植物的起源一直是相关研究中最具争议的问题之一。

食虫植物中的明星——捕蝇草,于 1760 年由北美北卡罗来纳州一位名叫阿瑟多布斯 ( Dobbs) 的大地主首次描述。 科林森的信中说,“这是植物界中一种非常新颖、未知的敏感植物”。 科林森将其样本交给了英国植物学家约翰埃利斯,后者将其命名为捕蝇草。 埃利斯在写给当时著名植物分类学家林奈的信中详细描述了这种植物,“叶子的内表面布满了微小的红色腺体,它们分泌甜甜的汁液来吸引可怜的动物来取食。当这些柔软的腺体接触到动物的四肢,两侧的叶子会立即立起来,抓住虫子,并通过两侧叶子上的刺将猎物牢牢锁定,直至死亡。”

事实上,更准确地说,在构成捕蝇草死亡陷阱的叶子的两部分上,每一部分的表面都有三根刚毛,这就是触发器。 要触发叶子闭合,昆虫必须触摸多于一根毛发、多次,并且两次触摸之间的时间不应超过 20 秒。 叶子在不到一秒的时间内迅速闭合,形成一个小“笼子”。 它们越挣扎,越接触刷毛,“笼子”关得越紧,所以当捕蝇草再次张开叶子时,表面常常可以看到“挣扎”的痕迹和虫体残留物。

然而,瑞典著名生物学家林奈不仅反驳了埃利斯的结论,还将其视为与含羞草类似的“敏感植物”。 尽管有证据表明,林奈仍然拒绝承认植物的食肉特性。 当时很多人纷纷效仿,但问题的焦点仍然是植物怎么能吃肉。

直到达尔文时代,更多的人观察到更多的植物可以诱捕和消化小动物。 1875年,达尔文在他的新书《食虫植物》中给出了合理的解释。 “数百万年前,这种植物生长在潮湿的沼泽中,它们会面临缺乏氮的问题,氮是制造蛋白质的元素。” 意大利佛罗伦萨大学植物神经生物学国际实验室负责人斯特凡诺曼库索说。

“‘贫穷导致变化’并不是只有人类懂得的道理。植物经过长期的进化,改变了叶子的形状,把它们变成了昆虫陷阱,用美味和丰富的蛋白质对待昆虫等小动物。” “作为昆虫。一种新的营养来源。”秋溪说。

由于化石记录数量较少,关于食肉植物的进化仍然存在许多谜团,尤其是捕虫器的不成熟结构,可能因各种原因在化石中缺失。 尽管如此,大多数古代昆虫陷阱的结构仍然可以从现代昆虫陷阱的结构中推断出来。 这些捕虫器形式各异却又各具特色,令无数科学家和植物爱好者着迷并探索。

捕猎和消化之谜 靠多种技能“吃”虫子

这些植物界的“动物杀手”看似凶猛,但实际上它们只能捕食一些昆虫,而这些昆虫最多就是小青蛙和蜥蜴。

与达尔文同时代的约翰博尔顿桑德森是伦敦大学应用生理学教授,他研究了从青蛙到哺乳动物等各种动物中发现的电脉冲。 与达尔文相对应,他发现了捕蝇草两根刚毛上的压力导致捕蝇草关闭的电信号,这是调节植物发育的电活动的首次证明。

一百多年后,美国阿拉巴马州奥克伍德大学的亚历山大沃尔科夫和他的同事证明,电刺激本身确实是陷阱关闭的触发信号。

而对于捕蝇草来说,每次关闭都会异常消耗能量,每个夹形捕虫器可以使用3到4次,最终会失去关闭能力。 因此,在植物园中,捕蝇草只隐藏在游客不易到达的地方。

迄今为止,植物学家发现食肉植物主要有五种基本的捕虫机制——含有消化酶或细菌消化液的笼状或瓶状捕虫器; 粘液捕虫器覆盖着粘稠的水滴; 快速关闭夹夹陷阱; 囊陷阱可以产生真空来吸入猎物,而龙虾笼陷阱则具有向内延伸的胡须,可以迫使猎物进入其消化器官。 “食虫植物的来源在进化树上差异很大,再加上捕虫机制的差异,不同的食虫植物在‘触觉’和消化方面也有很大差异。” 秋熙说道。

一般认为,植物完整的食虫行为必须包括吸引、捕获和消化三个过程,同时必须将猎物消化成易于植物吸收的氨基酸、铵离子等产物。 因此,植物能否产生消化酶被作为判断其是否食虫的标准。

食肉植物的研究一直是科学家们感兴趣的热点。 不久前,中科院多家研究所与香港大学合作,利用代谢组学方法分析了瓶子草、金星粘液等食虫植物叶片和陷阱中的组织特异性代谢成分,并发表在《分子科学》旗下的《》《分子科学》上发表的一篇论文揭示了它们都含有大量的纳米粒子,这加深了人们对食虫植物分泌的天然水凝胶粘液的认识。

此外,在食肉植物和昆虫之间,植物利用触角、视觉或气味信号作用于昆虫的研究也有一些新发现。

“但由于研究材料缺乏、实验难度较高,近年来相关成果并不多,食虫植物的研究热点仍停留在一些经典问题上。” 秋溪表示,除了起源和进化之外,食虫植物如何协调与传粉者的关系,还有许多未解之谜。

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