植物愛上吃肉 或是環境逼出來的“重口味”

趙漢斌

2020年07月22日08:19  來源:科技日報
 
原標題:植物愛上吃肉 或是環境逼出來的“重口味”

在植物“朋友圈”裡,豬籠草、捕蠅草等作為食虫植物的代表,數百年來備受關注,持久不衰。

如今,在國內某網購平台上搜索“食虫植物”,會出現數百條結果﹔專賣食虫植物的店鋪數不勝數,皇冠店鋪就超過20家,單個店家粉絲量在10萬+也不是稀罕事。

隨著暑期到來,中小學生的科普活動又迎來新高峰。世界上的食虫植物多不多?在漫長的歷史中,植物如何演化出食虫(即食肉)“愛好”的?它們又是怎麼捕食動物的?在學界,人們對食虫植物有哪些新的研究、又有哪些爭論?也成了孩子和家長關心的問題。

食虫起源之謎 貧瘠環境中為謀生計而逆襲

了解食虫植物,“氮”是繞不開的絕對主角。所有的食虫植物,之所以在植物界顯得很“彪悍”,都是為了爭取更多一些氮元素。

我們知道,植物吸收無機元素作為營養物,它們來自岩石礦物的風化以及有機物、動物的腐爛。氮是植物中繼碳、氫、氧之后含量最豐富的元素。缺了它,絕大多數植物將無法完成生命周期,而其他元素也無法取而代之。

“氮元素在1772年被發現,它佔據了地球大氣78%,是氧氣的四倍之多,並且是氨基酸、蛋白質和核酸等的重要組成元素。”美國康涅狄格州大學教授邁克爾·C·杰拉爾德在《生物學之書》中寫道,降解的動植物物質所含的氮,通過一系列的互利關系,形成植物營養素被吸收,而后再轉變為氣態,重歸大氣。

學界原本普遍認為,植物是直接從大氣中吸收氮的,但1837年,法國農業化學家讓-巴普斯迪特·布森戈証明這是錯誤的,還展示了植物從土壤中吸收氮的方式。氮從無機原料到有機化合物的同化過程是許多植物細胞的一個主要代謝活動。

大體上說,草本植物主要在葉片中同化硝酸鹽,而許多的木本和灌木在根中同化這些硝酸鹽。在單一的物種中,硝酸鹽同化的位置通常取決於硝酸鹽的供給量:當硝酸鹽豐富時,葉片是主要的同化部位,但當硝酸鹽供應受限時,根成了主要的同化部位。經過植物氮同化過程一系列復雜操作,把土壤和葉面無機氮的可用性,與植物對於合成各種含氮化合物的需求聯系在一起。

“在廣袤的大地上,並非每一寸都是沃土,不少地方是沙石荒地、高寒坡地和營養元素長期缺乏的水域等,各種嚴苛貧瘠的環境為植物的生存設置了重重障礙。”植物科普專家秋西告訴記者,迫於生存壓力,食虫植物以各自的方式,不約而同走上了捕食動物的逆襲之路。

同時需要指出的是,食虫植物並不是單一的物種,而是指能夠捕獵並且消化吸收一些昆虫和節肢動物的植物類群,雖被籠統地稱作“食虫植物”、都擁有捕虫這一共同技能,但在親緣關系上卻相差很遠,分別來自10個科17個屬,共有600至750種之多。

捕食能力之謎 葉片結構提供生猛捕虫器

但食虫植物的起源,歷來是相關研究最大爭議的問題之一。

食虫植物中的明星——捕蠅草,是1760年北美洲北卡羅來納州一位叫阿瑟·多布斯的大地主最先描述的,他在給植物學家、英國皇家學會會員彼得·柯林森的信中說,“這是植物界一種很新奇的未知的敏感植物”。柯林森將其樣本交給了英國植物學家約翰·埃利斯,后者將其命名為捕蠅草。埃利斯在給當時已聲名卓著的植物分類學家林奈的信中,詳細描述了這種植物,“葉片的內表層布滿微小的紅色腺體,它們會分泌甜蜜的汁液吸引可憐的動物前來取食。當這些柔軟的腺體與動物四肢碰觸,兩邊的葉片會馬上豎起來,抓緊虫子,通過交錯兩側葉片的刺將獵物牢牢鎖住,直至其死亡”。

事實上,更為精確的是,在構成捕蠅草死亡陷阱的兩部分葉片上,表面各有三根剛毛,它們是觸發器。如要觸發葉片閉合,昆虫必須碰到不止一根毛、不止一次,而且兩次碰觸時間間隔不超過20秒,葉片在不到一秒之間迅速閉合,形成一個小小的“牢籠”,動物越掙扎,不斷碰到剛毛,“牢籠”合攏越緊,因此當捕蠅草再次打開葉片時,表面常能看到“搏斗”的痕跡和虫體殘渣。

然而盛名之下的瑞典生物學家林奈,不但反駁了埃利斯的結論,還把它當類似含羞草的“敏感植物”看,即使經過埃利斯長時間研究、舉出無可辯駁的証據,林奈仍然拒絕承認植物的食肉屬性。當時還有不少人隨聲附和,問題的焦點仍然在於植物怎麼可能會吃肉。

直到達爾文時代,有更多人觀察到更多的植物可以誘捕並消化小型動物。在1875年,達爾文在出版的新書《食虫植物》中才給出合理的解釋。“數百萬年前,這類植物長在潮濕的沼澤裡,會面臨制造蛋白質的元素——氮缺乏的問題。”負責主持意大利佛羅倫薩大學植物神經生物學國際實驗室的斯特凡諾·曼庫索說。

“‘窮則思變’並非是隻有人類才懂的道理。經過長時間的演化,植株改變了葉片的形狀,將之變成了捕虫器,將味道鮮美、蛋白質豐富的昆虫等小動物當成了新的營養來源。”秋西說。

由於僅有少量的化石記錄,因此食虫植物的演化過程仍有不少謎團,特別是其捕虫器結構稚嫩,由於各種原因其可能會在化石中缺失。盡管如此,仍可利用現代捕虫器的結構推斷出古代捕虫器大部分的結構。這些捕虫器形式不同卻各具其妙,令無數科學家和植物愛好者著迷,探索不止。

獵殺消化之謎 靠多重本領把虫子“吃”下去

這些植物界的“動物殺手”,看似凶猛,其實它們隻能捕食一些昆虫,這些昆虫頂多是小型的蛙類、蜥蜴等。

與達爾文同時代的英國倫敦大學應用生理學教授約翰·波頓-桑德遜的研究對象原本是從蛙類到哺乳動物體內發現的電脈沖。與達爾文通信后,他發現了給捕蠅草兩根剛毛施壓能導致捕虫器閉合的電信號,這也是電活動調控植物發育的首個例証。

一百多年后,美國亞拉巴馬州奧克伍德大學的亞歷山大·沃爾科夫和他的同事証明,電刺激本身的確是捕虫器關閉的引發信號。

而且對捕蠅草來說,每一次閉合異常消耗能量,每個夾狀捕虫器可使用3至4次,最終將失去關閉的能力。因此,在植物園,捕蠅草都隻深藏在游客不易到達的地方。

截至目前,植物學家們發現,食虫植物主要有5種基本的捕虫機制——具有含消化酶或細菌消化液的籠狀或瓶狀捕虫器﹔周身布滿黏稠液滴的黏液捕虫器﹔快速關閉的夾狀捕虫器﹔能產生真空而吸入獵物的囊狀捕虫器,以及具有向內延伸的毛須而將獵物逼入消化器官的龍蝦籠狀捕虫器。“食虫植物在進化樹上來源差別巨大。加上捕虫機制的差異,因此不同食虫植物在‘觸覺’和消化上差異巨大。”秋西說。

而通常認為,植物的完整食虫性必須包括吸引、捕捉和消化這三個過程,同時也必須將獵物消化成為便於植物吸收的氨基酸和銨離子等產物。因此,一種植物能否生成消化酶被作為判斷其是否具有食虫性的一個標准。

食肉植物的研究一直是科學家感興趣的熱點。不久前,中國科學院多個研究院所與香港大學合作,用代謝組學方法,分析了瓶子草和捕蠅草黏液等肉食性植物葉片和陷阱中的組織特異性代謝物成分,並在《科學》旗下的《分子科學》發布論文,揭示其中均含有大量納米顆粒,這加深了人們對食虫植物分泌的天然水凝膠黏液的認識。

此外,在食虫植物與昆虫之間,植物利用觸角、視覺或者氣味信號來作用於昆虫上的研究也有一些新的發現。

“不過出於研究材料少、實驗難度高等原因,相關成果在近些年一直不多,對食虫植物的研究熱點依舊在一些經典問題上。”秋西介紹說,除了起源與進化,食虫植物是怎樣協調它們和傳粉者的關系等,還有諸多未解之謎。

(責編:趙竹青、呂騫)