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捕蠅草的捕蟲機制

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捕蠅草的捕蟲機制
捕蠅過程
捕蠅草的捕蟲過程大概是所有食蟲植物之中最爲奇特,捕蟲機制最爲複雜的。捕蠅草的捕食構造是由一左一右對稱的葉片所形成的夾子,這個夾子狀的構造是由葉子特化而來的,至於連接捕蟲器葉片狀的構造是葉柄。捕蟲夾上的外緣排列着刺狀的毛,乍看之下很銳利,會刺人,但其實這些毛很軟。這些毛的功能是用來防止被捕的昆蟲逃脫。當捕蟲夾夾到昆蟲時,這些夾子兩端的毛正好交錯,而成爲一個牢籠,使蟲無法逃走。捕蟲夾內側呈現紅色,仔細觀查會發現上面覆滿許多微小的紅點,這些紅點就是捕蠅草的消化腺體。在捕蟲夾內側可見到三對細毛,這細毛便是捕蠅草的感覺毛,用來偵測昆蟲是否走到適合捕捉的位置。大多數的捕蟲器只帶有五對感覺毛,但也可能產生多出一根到數根感覺毛的捕蟲器。
捕蟲方式
食蟲植物的習性大致上分爲以下四步驟:①引誘昆蟲→②捕捉昆蟲→③利用消化液來分解與吸收→④利用吸收到的養份來維持生長。不過並不是所有的食肉植物都是經過如此完整的過程,例如有些同類型的植物並不分泌出消化液,而是藉由各種微生物來分解後吸取養份的。而捕蠅草在這個部份屬於比較高等,具備相當完整過程的食肉植物。
捕蠅草的葉緣部份含有蜜腺,會分泌出蜜汁來引誘昆蟲靠近。當昆蟲進入葉面部份時,碰觸到屬於感應器官的感覺毛兩次,兩瓣的葉就會很迅速的合起來。生長於葉緣上的刺毛是屬於多細胞突出物,沒有彎曲的功能。當葉子很快速的閉合將昆蟲夾住時,刺毛就會緊緊相扣的交互咬合,其目的就是防止昆蟲脫逃。
訊號傳遞
捕蟲的訊號並非直接由感覺毛所提供。在感覺毛的基部有一個膨大的部分,裏面含有一羣感覺細胞。感覺毛的作用有如槓桿,昆蟲推動了感覺毛,使得感覺毛壓迫感覺細胞,感覺細胞便會發出一股微弱的電流,去通告捕蟲器上所有的細胞。由於電流會四散向整個捕蟲夾,所以引發閉合並不需要觸碰同一根感覺毛,只要在同一捕蟲夾中任兩根感覺毛髮出電流,便能引發閉合運動。當然,感覺毛所發出的電流僅影響其所在的捕蟲夾,不會干擾到同一植株上其他捕蟲夾的運作。
在受到刺激之前,捕蟲夾呈60度角張開着,當受到昆蟲刺激時,捕蟲夾以其葉脈爲軸而閉合。捕蟲夾的閉合與捕蟲夾上的細胞收縮有關。當捕蟲夾上的細胞得到感覺細胞所發出的電流,其內側的細胞液泡便快速失水收縮,使得捕蟲器向內彎,因而閉合。
捕蟲夾的閉合
捕蟲夾的閉合是一個精確的控制過程。此過程最初是在昆蟲碰到位於夾子上的感覺毛時開始的。引起閉合的條件爲一個捕蟲器中,任意一根感覺毛被觸碰到兩次,或是分別觸碰到兩根感覺毛。觸碰感覺毛的時間間隔對於閉合有決定性的影響:假如兩次的觸碰間隔在20~30秒內則能閉合,超過這段時間則需要有第三次成功的刺激纔會閉合。捕蟲器需要兩次的刺激,爲的是確認昆蟲已經走到適當的位置。當捕蟲器受到第一次的刺激時,此時昆蟲只是稍微走入捕蟲器;若捕蟲器就閉起來,只不過夾住昆蟲的一部分,那麼昆蟲能夠逃脫的機會便很大。當捕蟲器受到第二次的刺激時,此時昆蟲差不多也走到捕蟲器的裏面,這時閉起的捕蟲器便能將昆蟲確實地抓住,關在捕蟲器之中。
閉合的過程分爲兩個階段。第一階段,夾子快速關閉,以便捕到昆蟲,此時捕蟲夾只是夾住昆蟲而已;第二階段,捕蟲夾向內收縮,以便使捕蟲夾的內側能夠儘量貼近昆蟲,這時,捕蟲器已經完全緊閉,不留一點縫隙。之後,夾子關閉數天到十數天,此時昆蟲被分佈於捕蟲器上的腺體所分泌的消化液消化。昆蟲被消化完後,捕蟲器會再度打開,等待下一個獵物;剩下無法被消化掉的昆蟲外殼,便被風雨所帶走。第二階段需要昆蟲的掙扎才能進行,因爲這樣才代表捕蟲器所捉到的確實是昆蟲,是活的獵物。捕蠅草有時會誤捉到枯枝、落葉,如果少了這項確認機制,必然會將養分浪費在消化無法消化掉的雜物上。若捕蟲器誤捉到雜物,只要沒有持續的刺激,在數小時之後便會重新打開捕蟲器,等待下一個獵物。
消化與吸收
當捕獲到昆蟲被兩瓣葉片給夾住後而無法掙脫,昆蟲在掙扎的過程中葉片會越夾越緊直到幾乎密閉的狀態,這時兩片葉瓣內側密集的內腺體會分泌出消化液,利用這些消化液中含有的蛋白酶,將昆蟲的蛋白質分解成以氮、氧、碳、氫爲主,還可能包括其他元素構成的氨基酸並進行吸收。一般大約四天左右能分解完成並吸收較易消化的部份,之後再繼續吸收剩餘的氮、磷以及其它各種所需的微量元素。這些養份都吸收完畢之後,葉瓣就會再度打開,全部時間大約需花5~10天的程度,這時昆蟲只剩下由幾丁質組成的空殼殘骸。
不過捕蠅草並無法分辨出所捕獲之物的大小,有時也可能捕獲到與葉片大小差不多的獲物,例如小型青蛙或是長腳蜂之類。這時往往會造成來不及分解吸收,而獲物自體就先腐敗,所以葉片就會出現像食物中毒一般而枯萎。另外,每個葉片大約可以捕捉12~18次,消化3~4次,超過這個次數葉子就會失去捕蟲能力,爲最後的光合作用做出應有的貢獻,然後漸漸枯萎。
奧妙的自然神祕
當昆蟲採蜜時第一次接觸到感覺毛後葉片並不會有什麼動作,但是如果連續刺激兩次,那葉片就會在平均大約0.5秒以內馬上合起來(但是一些人工園藝品種達不到這個速度)。而如果第二次碰觸的時間與第一次碰觸時間相差超過約20秒時,葉片會變成半合閉或是沒反應的現象。如果在這時馬上再刺激第三次,那葉片也會迅速的合起來。
經過實驗調查,捕蠅草的感覺毛就像是一個感應裝置,經過連續兩次碰觸的刺激時,葉的基部會產生大約100毫伏(mV)的活動電位(Action potential)到葉子表面上,造成葉片內側的水分迅速流失,導致內外壓力不等所以葉片就因此閉合。這樣的捕蟲機制是一組相當精密的結構搭配,而且刺激感覺毛就像是設定了定時裝置一樣,等到第二次確認纔會閉合,最主要是爲了提升捕蟲的準確性,否則的話如雨滴、動物經過時均會降低並影響其捕蟲的效率。
經由植物研究者確認了捕蠅草會發出活動電位這樣有機制的機關,就類似動物的神經組織會產生傳輸信息一般。不過因爲這必須連續碰觸兩次纔會產生,也就是說應該還有個可以記憶的組織。至今依然還不清楚這樣的記憶是如何在捕蠅草中運作的,這是一個未解之謎。
關閉力量
美國Oakwood大學的研究人員利用靈敏的壓電傳感器測出Venus捕蠅草的葉片在被觸發關閉時瞬間,其力量大小平均爲149mN,壓力大約爲41kPa。而在當被捕獲到昆蟲掙脫的過程中,其葉片產生的力量大小最大可達450mN,壓力達9 kPa。這樣的力量和壓力下,一般的小昆蟲很難有機會逃出。不過人工品種要略低於這個數值。
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