食肉植物的進化史，原來就是一個“打工基因”的換崗

在18世紀之前，人們普遍認為植物不能移動，只能作為動物的食物而存在，更無法相信會有植物捕食動物。

達爾文花了16年時間對植物進行了細致的實驗，他觀察到一些植物的葉子特化成了怪異的結(jié)構(gòu)，不僅可以捕獲昆蟲和其他小動物，還能消化并吸收其中的營養(yǎng)元素，這一發(fā)現(xiàn)后面在他出版的《食蟲植物》一書中有著詳細的記載。

如果說《食蟲植物》的出版改變了植物“人畜無害”的形象，那么《植物運動的本領》一書則將植物從呆板、不可移動的固有印象中“解放”了出來。

一時之間，植物變得與動物無異，既可移動也可殺人，這種全新的認知讓植物殺人的恐怖故事開始成為一種非常流行的故事題材，但另一方面，也激發(fā)了一代又一代的生物學家去認識和解密這些不可思議的怪異植物。

19世紀作家筆下描繪的食人樹 圖源：J.W. BUEL / PUBLIC DOMAIN

好奇怪

再看一眼

目前，全世界所記錄已知現(xiàn)存的食肉植物有12科20個屬，約860種，這些植物大多生長在營養(yǎng)匱乏的地區(qū)，比如潮濕呈酸性的沼澤或者貧瘠的熱帶土壤中，所有棲息地的特點是缺乏植物生長所必需的氮和磷元素，因此為了生存下去，它們需要找到重要營養(yǎng)物質(zhì)的替代來源。

圖源：Royal Botanic Gardens Victoria

在進化的驅(qū)動下，生活在“不毛之地”的植物將目標轉(zhuǎn)向了昆蟲和其他小型無脊椎動物，這些動物富含蛋白質(zhì)以及植物生長所需的各種元素，而為了對付它們，食肉植物們也獲得了獨特的捕食方式。

就誘捕手段來說，目前所有的食肉植物都在使用6種基本的機制，即陷阱、膠粘劑、夾狀捕蟲器、進入后就找不到進出口的龍蝦籠原理捕蟲器、進入后只能前進無法后退的捕鴿籠原理和能產(chǎn)生真空抽吸獵物的囊狀捕蟲器。

其中，大多數(shù)誘捕手段都很“呆板”，例如擅長造陷阱捕食的豬籠草屬（Nepenthes）、太陽瓶子草屬（Heliamphora）、瓶子草屬（Sarracenia）等，它們的葉子大多已經(jīng)高度特化，成為裝有消化液的復雜瓶狀容器。

在馬來西亞婆羅洲采集的豬籠草物種樣本 圖源A. van der Ent (1)&A. Robinson

這些特化的葉子還可以儲存水源，或者通過蜜腺散發(fā)的氣味，或是反射不同的光譜來吸引動物光顧。當不明真相的“吃瓜群眾”落在葉片上時，由于頂部瓶口位置有著特殊的光滑結(jié)構(gòu)，很多時候昆蟲在上面走著走著，一不小心就失足落入了瓶內(nèi)。

圖源：見圖片水印

而掉入瓶內(nèi)的獵物基本上很難再爬出來，因為瓶壁上覆有光滑的蠟質(zhì)層，同時瓶底的消化液表面張力較低且很粘稠，這讓獵物一旦掉入瓶中就會很快沉入液面，最后被消化液分解后為自己所用。

當然，也有比較靈活的誘捕手段，例如茅膏菜屬（Drosera）的植物，它們長著相對立體且可以活動的黏性觸手捕蟲器，上面分泌有吸引昆蟲的黏液。當獵物被粘住時，原本四周舒展的觸手會主動向獵物的方向彎曲，讓更多的黏液裹住獵物，使其窒息而死，同時增大消化腺與獵物的接觸范圍，從而更快速地殺死獵物獲得營養(yǎng)。

圖源：ISTOCK.COM / CATHY KEIFER

不過，稱得上“精英獵手”的當屬捕蠅草（Dionaea muscipula），它們有著一套精妙且復雜的反應系統(tǒng)。其特有的夾狀捕蟲器由葉片高度特化而來，并通過中脈相連，在每片夾子的內(nèi)表面都有敏感的觸毛，當觸毛彎曲時會引發(fā)基部細胞的離子通道打開，產(chǎn)生一個動作電位并傳導至中脈，使夾子閉合。并且更厲害的是，捕蠅草還可以分辨動作電位產(chǎn)生的原因是昆蟲的觸碰還是掉落的雨滴或枯葉，從而作出相應的判斷。

捕蠅草的陷阱會在一瞬間關(guān)閉，將獵物囚禁 圖源：ANDIA / ALAMY STOCK PHOTO

盡管食肉植物們在形態(tài)、形式以及誘捕方式上存在較大差異，但它們捕食動物的基礎都是通過特化的葉片或者是葉片的一部分，這也意味著食肉植物主要通過葉子來獲取營養(yǎng)而不是根部。

這基因沒啥用

不如調(diào)一下崗位吧

那么，原本用于光合作用的葉片如何成為了攻擊的利器呢？答案可能藏在基因中。

植物要吃肉，需要解決兩個關(guān)鍵問題，其一就是消化，其二是吸收。

從現(xiàn)在看來，食肉植物的進化歷程是狡猾而靈活的，它們利用了原有的“資源”獲得了新的能力，畢竟“廢物”利用相比重新創(chuàng)造更為簡單。

早在二十世紀七十年代，有研究人員就發(fā)現(xiàn)食肉植物的消化液中含有多種酶，包括可以分解昆蟲外骨骼中幾丁質(zhì)的幾丁質(zhì)酶，分解肉中蛋白質(zhì)的蛋白酶，以及能從獵物身上提取元素磷的紫色酸性磷酸酶。最初，研究人員并不清楚這些酶是食肉植物自身產(chǎn)生的，還是由消化液的微生物所產(chǎn)生的。

圖源：H. ZELL / WIKIMEDIA COMMONS

直到DNA測序技術(shù)的快速發(fā)展，使得分子科學家得以識別許多編碼這些酶的基因，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們一直未變，只不過食肉植物重新利用了這些基因，因為這些酶的作用方式與植物最初用來對抗細菌、真菌和草食性昆蟲的化學防御方式十分相似。

例如幾丁質(zhì)酶原本可能是為了對抗真菌，因為真菌的細胞壁中含有幾丁質(zhì)，后來，隨著節(jié)肢動物進化后，幾丁質(zhì)酶也用于防御它們。

而隨著落入陷阱的動物被消化，幾丁質(zhì)、蛋白質(zhì)等大分子被分解成更小的分子時，植物必須將其從消化液運送到體內(nèi)。在普通植物中，吸收養(yǎng)分是根部的工作，轉(zhuǎn)運蛋白不斷地將養(yǎng)分從土壤運送到植物中，而在食肉植物中，為了能讓葉子也能夠吸收營養(yǎng)，它們將在根部工作的轉(zhuǎn)運蛋白基因放在了葉子的位置，只不過，該基因在根部始終會保持活躍，但在葉片上，只有當營養(yǎng)物質(zhì)需要吸收時，轉(zhuǎn)運蛋白才會啟動。

對于古老的植物而言，大量重復基因的復用能讓它們能夠在環(huán)境中獲得更強的適應性，這或許也是植物能夠獲得食肉能力的原因所在。

參考文獻：

1.on the Origin of Carnivory: Molecular Physiology and Evolution of Plants on an Animal Diet

https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-080620-010429

2.Venus Flytrap: How an Excitable, Carnivorous Plant Works

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1360138517302807

3. Venus flytrap carnivorous lifestyle builds on herbivore defense strategies

https://genome.cshlp.org/content/early/2016/04/28/gr.202200.115.full.pdf

作者：魚魚

中國科普作家協(xié)會優(yōu)秀科普作品銀獎獲得者

清蒸魚頭、麻辣魚頭等各種魚頭愛好者