Naukowcy rozwiązują zagadkę sprzed stulecia — jak muchołówka zatrzaskuje swoją pułapkę

PARYŻ, 12 czerwca — Współczuć można biednej musze, która wyląduje na muchołówce amerykańskiej. Gdy owad dotknie włoskowatych struktur tej niezwykłej rośliny mięsożernej, jej pułapka zatrzaskuje się, skazując ofiarę na strawienie przez kilka dni w wydzielanych enzymach. Naukowcy odkryli teraz fizyczny mechanizm stojący za tym zatrzaskiwaniem.

Badacze poinformowali, że eksperymenty wykazały, iż zamknięcie pułapki muchołówki jest inicjowane przez gwałtowne zmiękczenie ścian komórkowych w zewnętrznej warstwie pułapki rośliny — będącej silnie zmodyfikowanym liściem podzielonym na dwa zawiasowo połączone płaty przypominające szczęki z zębami.

Przez ponad sto lat dominującą hipotezą było, że zamknięcie pułapki jest napędzane przez szybką redystrybucję wody wewnątrz liścia, gdzie woda przemieszcza się między komórkami, powodując pęcznienie jednej strony liścia. Nowe badania wskazują na inny mechanizm biologiczny.

„Jedna z najbardziej kultowych roślin na świecie wciąż potrafi nas zaskoczyć. Po ponad stu latach badań nadal odkrywamy fundamentalnie nowe rzeczy na temat tego, jak działa muchołówka" — powiedział fizyk Yoël Forterre z francuskiej agencji badawczej CNRS i Uniwersytetu Aix-Marseille, starszy autor badania opublikowanego wczoraj w czasopiśmie Science.

Muchołówka amerykańska to mała roślina mięsożerna, rodzima dla ograniczonego obszaru Karoliny Północnej i Karoliny Południowej w Stanach Zjednoczonych. Jak wiele roślin mięsożernych, rośnie w środowiskach ubogich w składniki odżywcze i uzupełnia swoje odżywianie poprzez chwytanie i trawienie owadów.

W eksperymentach przeprowadzonych w Marsylii badacze zastosowali obrazowanie szybką kamerą, pomiary mechaniczne poprzez wgłębianie zewnętrznej warstwy rośliny oraz modelowanie mechaniczne. Zmierzyli również transport wody w tkance roślinnej, aby wykluczyć go jako działający mechanizm.

„Roślina używa wyspecjalizowanych włosków spustowych zlokalizowanych na wewnętrznej powierzchni pułapki. Gdy owad dotknie tych włosków dwukrotnie w krótkim czasie, pułapka się zamyka. Zamknięcie może nastąpić w zaledwie jednej dziesiątej sekundy" — powiedział Forterre.

„Nasza hipoteza jest taka, że pułapka jest już mechanicznie naładowana przed wyzwoleniem, podobnie jak sprężyna. Gdy pułapka zostaje pobudzona, ściany komórkowe zewnętrznej warstwy naskórka gwałtownie miękną o około 30 do 40 procent, co oznacza, że ściana komórkowa staje się bardziej elastyczna. Uwalnia to wewnętrzne naprężenia zgromadzone w tkance i powoduje wygięcie i zamknięcie pułapki. Zmiękczanie rozwija się w ciągu około jednej sekundy" — powiedział Forterre.

Gdy pułapka zatrzaskuje się, owad zostaje uszczelniony wewnątrz do strawienia.

„Bezpośrednio mierząc mechanikę żywej pułapki w trakcie jej reakcji, zidentyfikowaliśmy wewnętrzny 'silnik', który napędza liść przez próg niestabilności i uruchamia sprężyste wyginanie, które go zamyka" — powiedział fizyk i główny autor badania Jeongeun Ryu, który pracował nad badaniem jako badacz postdoktorancki w CNRS i na Uniwersytecie Aix-Marseille.

Po wchłonięciu przez roślinę bogatego w składniki odżywcze płynu wytworzonego przez procesy trawienne pułapka ponownie się otwiera, pozostawiając po sobie pusty egzoszkielet owada.

„To, co uważam za niezwykłe, to fakt, że ewolucja często nie wynajduje zupełnie nowych mechanizmów, lecz raczej ponownie wykorzystuje i udoskonala istniejące. Wiadomo, że rośliny modyfikują właściwości mechaniczne swoich ścian komórkowych podczas wzrostu, ale muchołówka wydaje się doprowadzać ten mechanizm do skrajności, używając go w skali czasowej około jednej sekundy" — powiedział Forterre.

Znanych jest około 800 gatunków roślin mięsożernych. Nie wszystkie są ze sobą blisko spokrewnione, co wskazuje, że odżywianie się mięsem ewoluowało niezależnie wielokrotnie w toku ewolucji roślin.

Sposób, w jaki muchołówka zatrzaskuje się, to temat od dawna interesujący naukowców, w tym Charlesa Darwina — XIX-wiecznego przyrodnika, który rozwinął teorię ewolucji przez dobór naturalny. Badacze dostrzegają potencjalne praktyczne zastosowania swoich odkryć.

„O ile nam wiadomo, jest to pierwszy przypadek, gdy tak gwałtowna zmiana właściwości mechanicznych ścian komórkowych została zaobserwowana w roślinie" — powiedział Ryu.

„To rozstrzyga pytanie sięgające czasów Darwina — co napędza jeden z najszybszych ruchów w królestwie roślin — i wskazuje na nowy sposób poruszania się istot żywych: nie przez pompowanie płynu ani zwykłe zapadanie się, ale przez aktywne dostrajanie sztywności własnego materiału. Ta zasada mogłaby w przyszłości zainspirować miękkie roboty lub inteligentne materiały, choć pozostaje to perspektywą długoterminową" — powiedział Ryu. — Reuters