捕蠅草 藉電位差捕蟲

文/簡麗賢  |2024.05.20
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圖/BOB
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文/簡麗賢 

幼年至青少年成長期間,在農村住家附近的山坡小徑與古井周邊,看過會捕捉蚊蠅的野草,母親稱之會捕蟲的蚊仔草,囑咐我不摘取,因為這種食葷植物是蚊蠅的剋星,可以降低到古井挑水時被蚊蠅騷擾的機會。稍長,才知道這叫「捕蠅草」。植物為何捕食昆蟲?其生理機制為何?我很好奇卻不解。

有一回在同學家看到陽台種植捕蠅草盆栽,相當好奇,經過念電機背景的同學爸爸解說後,略懂捕蠅草捕蠅陷阱的物理機制,隱含力學與電學的概念,捕蠅草的捕蟲陷阱及運作機制,蘊藏科學的奧祕與自然的智慧,呼應王安石詩句「看似平凡最奇崛,成如容易卻艱辛」的意境。

日本人形容捕蠅草為「蒼蠅的地獄」,其主要特徵就是能夠迅速關閉的葉片,葉片邊緣具有規則的刺毛,稱之為「焮毛」,好比維納斯的睫毛,西方人描述為「維納斯的捕蠅陷阱」。捕蠅草獵取昆蟲的捕捉迷局有其生理奧祕與生存的科學脈絡,涉及生物適應的現象。

葉片感應 成為捕器



依據植物學的研究結果,捕器閉合的物理機制為何?

肉食性的捕蠅草屬於維管植物,具有根、莖、葉、花朵、種子,生長在養分及礦物質缺乏的溼地,為了生存,演化出肉食性的特質,其葉片成為捕器,可以誘引、捕抓及消化小型節肢動物的器官。捕器閉合的物理機制源自於葉片的焮毛,如同感應裝置,經過連續兩次碰觸的刺激時,葉的基部會產生大約100毫伏特(mV)的動作電位到葉子表面,造成葉片內側的水分迅速流失,內外壓力不等,葉片因此閉合。

這樣的捕蟲機制好比一組精密的結構,焮毛設定定時裝置,控制葉片細胞的膨脹與收縮。當水分從內層細胞流入外層細胞時,因壓力變化,內層細胞收縮、外層細胞膨脹,因而造成葉片彎曲而閉合。簡言之,捕蠅草捕器閉合的機制,促使兩側葉片合攏,在於外層細胞的細胞膜施加於細胞壁的壓力變大,內層變小。

身手矯捷 觸發電位



捕蠅草具有迅捷的捕蟲身手,外觀很像長著尖牙利爪的血盆大口,捕食昆蟲的方式是先用葉片的顏色與葉緣的蜜腺引誘昆蟲,葉片內側的焮毛,可感應獵物的觸動。每次觸發焮毛會產生電位。

研究顯示,產生第一次電位時,葉片仍會保持張開,並記憶第一次的觸發,捕蠅草並不是利用葉片彎曲時的彈力記憶初次觸發,而是透過觸發的充電電量記憶。若在20秒內發生第二次觸發,葉片才會快速閉合困住獵物。科學家在葉子中肋與葉片分別插入電極充電,模擬焮毛被觸發時產生電位的現象,實驗結果發現無論是分段充電,或是連續充電,充電電量都要達到14微庫侖(µC),也就是百萬分之14庫侖,葉片才會在大約0.5秒內快速閉合。

換句話說,若第一次觸發時,葉片並沒有動作,表示第一次觸發時,充電電量尚未達到14µC。當充電電量達到14µC時,葉片會快速閉合,此時水分快速從內層細胞流入外層細胞。相反的,當水分從外層細胞流入內層細胞時,外層細胞收縮,內層細胞膨脹,造成葉片彎曲而張開。

另一特殊的研究結果,捕蠅草的土壤酸鹼值,稱為pH值,也會影響捕蠅草的葉片閉合。若將捕蠅草的土壤浸潤在pH值高於4.5的溶液中,縱使充電電量達到14µC,使觸發焮毛產生電位,也無法誘使葉片閉合。

腺體消化 分解養分



當捕蠅草誘捕昆蟲後,昆蟲進入葉面而碰觸感應器官的焮毛兩次後,兩瓣葉片會迅速閉合而夾住昆蟲,昆蟲在掙扎過程中,葉片愈夾愈緊,直到幾乎密閉狀態,此時葉瓣內側的內腺體分泌消化酶,將昆蟲的蛋白質分解成生長的養分。

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