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捕蝇草的捕虫机制

捕蝇过程
捕蝇草的捕虫过程大概是所有食虫植物之中最为奇特,捕虫机制最为复杂的。捕蝇草的捕食构造是由一左一右对称的叶片所形成的夹子,这个夹子状的构造是由叶子特化而来的,至于连接捕虫器叶片状的构造是叶柄。捕虫夹上的外缘排列着刺状的毛,乍看之下很锐利,会刺人,但其实这些毛很软。这些毛的功能是用来防止被捕的昆虫逃脱。当捕虫夹夹到昆虫时,这些夹子两端的毛正好交错,而成为一个牢笼,使虫无法逃走。捕虫夹内侧呈现红色,仔细观查会发现上面覆满许多微小的红点,这些红点就是捕蝇草的消化腺体。在捕虫夹内侧可见到三对细毛,这细毛便是捕蝇草的感觉毛,用来侦测昆虫是否走到适合捕捉的位置。大多数的捕虫器只带有五对感觉毛,但也可能产生多出一根到数根感觉毛的捕虫器。
捕虫方式
食虫植物的习性大致上分为以下四步骤:①引诱昆虫→②捕捉昆虫→③利用消化液来分解与吸收→④利用吸收到的养份来维持生长。不过并不是所有的食肉植物都是经过如此完整的过程,例如有些同类型的植物并不分泌出消化液,而是借由各种微生物来分解后吸取养份的。而捕蝇草在这个部份属于比较高等,具备相当完整过程的食肉植物。
捕蝇草的叶缘部份含有蜜腺,会分泌出蜜汁来引诱昆虫靠近。当昆虫进入叶面部份时,碰触到属于感应器官的感觉毛两次,两瓣的叶就会很迅速的合起来。生长于叶缘上的刺毛是属于多细胞突出物,没有弯曲的功能。当叶子很快速的闭合将昆虫夹住时,刺毛就会紧紧相扣的交互咬合,其目的就是防止昆虫脱逃。
讯号传递
捕虫的讯号并非直接由感觉毛所提供。在感觉毛的基部有一个膨大的部分,里面含有一群感觉细胞。感觉毛的作用有如杠杆,昆虫推动了感觉毛,使得感觉毛压迫感觉细胞,感觉细胞便会发出一股微弱的电流,去通告捕虫器上所有的细胞。由于电流会四散向整个捕虫夹,所以引发闭合并不需要触碰同一根感觉毛,只要在同一捕虫夹中任两根感觉毛发出电流,便能引发闭合运动。当然,感觉毛所发出的电流仅影响其所在的捕虫夹,不会干扰到同一植株上其他捕虫夹的运作。
在受到刺激之前,捕虫夹呈60度角张开着,当受到昆虫刺激时,捕虫夹以其叶脉为轴而闭合。捕虫夹的闭合与捕虫夹上的细胞收缩有关。当捕虫夹上的细胞得到感觉细胞所发出的电流,其内侧的细胞液泡便快速失水收缩,使得捕虫器向内弯,因而闭合。
捕虫夹的闭合
捕虫夹的闭合是一个精确的控制过程。此过程最初是在昆虫碰到位于夹子上的感觉毛时开始的。引起闭合的条件为一个捕虫器中,任意一根感觉毛被触碰到两次,或是分别触碰到两根感觉毛。触碰感觉毛的时间间隔对于闭合有决定性的影响:假如两次的触碰间隔在20~30秒内则能闭合,超过这段时间则需要有第三次成功的刺激才会闭合。捕虫器需要两次的刺激,为的是确认昆虫已经走到适当的位置。当捕虫器受到第一次的刺激时,此时昆虫只是稍微走入捕虫器;若捕虫器就闭起来,只不过夹住昆虫的一部分,那么昆虫能够逃脱的机会便很大。当捕虫器受到第二次的刺激时,此时昆虫差不多也走到捕虫器的里面,这时闭起的捕虫器便能将昆虫确实地抓住,关在捕虫器之中。
闭合的过程分为两个阶段。第一阶段,夹子快速关闭,以便捕到昆虫,此时捕虫夹只是夹住昆虫而已;第二阶段,捕虫夹向内收缩,以便使捕虫夹的内侧能够尽量贴近昆虫,这时,捕虫器已经完全紧闭,不留一点缝隙。之后,夹子关闭数天到十数天,此时昆虫被分布于捕虫器上的腺体所分泌的消化液消化。昆虫被消化完后,捕虫器会再度打开,等待下一个猎物;剩下无法被消化掉的昆虫外壳,便被风雨所带走。第二阶段需要昆虫的挣扎才能进行,因为这样才代表捕虫器所捉到的确实是昆虫,是活的猎物。捕蝇草有时会误捉到枯枝、落叶,如果少了这项确认机制,必然会将养分浪费在消化无法消化掉的杂物上。若捕虫器误捉到杂物,只要没有持续的刺激,在数小时之后便会重新打开捕虫器,等待下一个猎物。
消化与吸收
当捕获到昆虫被两瓣叶片给夹住后而无法挣脱,昆虫在挣扎的过程中叶片会越夹越紧直到几乎密闭的状态,这时两片叶瓣内侧密集的内腺体会分泌出消化液,利用这些消化液中含有的蛋白酶,将昆虫的蛋白质分解成以氮、氧、碳、氢为主,还可能包括其他元素构成的氨基酸并进行吸收。一般大约四天左右能分解完成并吸收较易消化的部份,之后再继续吸收剩余的氮、磷以及其它各种所需的微量元素。这些养份都吸收完毕之后,叶瓣就会再度打开,全部时间大约需花5~10天的程度,这时昆虫只剩下由几丁质组成的空壳残骸。
不过捕蝇草并无法分辨出所捕获之物的大小,有时也可能捕获到与叶片大小差不多的获物,例如小型青蛙或是长脚蜂之类。这时往往会造成来不及分解吸收,而获物自体就先腐败,所以叶片就会出现像食物中毒一般而枯萎。另外,每个叶片大约可以捕捉12~18次,消化3~4次,超过这个次数叶子就会失去捕虫能力,为最后的光合作用做出应有的贡献,然后渐渐枯萎。
奥妙的自然神秘
当昆虫采蜜时第一次接触到感觉毛后叶片并不会有什么动作,但是如果连续刺激两次,那叶片就会在平均大约0.5秒以内马上合起来(但是一些人工园艺品种达不到这个速度)。而如果第二次碰触的时间与第一次碰触时间相差超过约20秒时,叶片会变成半合闭或是没反应的现象。如果在这时马上再刺激第三次,那叶片也会迅速的合起来。
经过实验调查,捕蝇草的感觉毛就像是一个感应装置,经过连续两次碰触的刺激时,叶的基部会产生大约100毫伏(mV)的活动电位(Action potential)到叶子表面上,造成叶片内侧的水分迅速流失,导致内外压力不等所以叶片就因此闭合。这样的捕虫机制是一组相当精密的结构搭配,而且刺激感觉毛就像是设定了定时装置一样,等到第二次确认才会闭合,最主要是为了提升捕虫的准确性,否则的话如雨滴、动物经过时均会降低并影响其捕虫的效率。
经由植物研究者确认了捕蝇草会发出活动电位这样有机制的机关,就类似动物的神经组织会产生传输信息一般。不过因为这必须连续碰触两次才会产生,也就是说应该还有个可以记忆的组织。至今依然还不清楚这样的记忆是如何在捕蝇草中运作的,这是一个未解之谜。
关闭力量
美国Oakwood大学的研究人员利用灵敏的压电传感器测出Venus捕蝇草的叶片在被触发关闭时瞬间,其力量大小平均为149mN,压力大约为41kPa。而在当被捕获到昆虫挣脱的过程中,其叶片产生的力量大小最大可达450mN,压力达9 kPa。这样的力量和压力下,一般的小昆虫很难有机会逃出。不过人工品种要略低于这个数值。

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