นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาอายุกว่าศตวรรษ เกี่ยวกับกลไกการดักจับของต้นกาบหอยแครง

ปารีส, 12 มิถุนายน — น่าสงสารแมลงวันตัวน้อยที่บินไปเกาะต้นกาบหอยแครง เมื่อแมลงสัมผัสโครงสร้างคล้ายขนบนพืชกินแมลงที่น่าทึ่งชนิดนี้ กับดักจะปิดสนิทอย่างรวดเร็ว ทำให้เหยื่อถูกย่อยสลายภายในเวลาหลายวันด้วยเอนไซม์ที่หลั่งออกมา ขณะนี้นักวิทยาศาสตร์ค้นพบกลไกทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลังการปิดอย่างรวดเร็วนี้แล้ว

นักวิจัยระบุว่าการทดลองแสดงให้เห็นว่าการปิดของกาบหอยแครงเริ่มต้นจากการอ่อนตัวอย่างรวดเร็วของผนังเซลล์ในชั้นนอกของกับดักพืช ซึ่งเป็นใบที่มีการดัดแปลงอย่างสูง แบ่งออกเป็นสองกลีบที่มีบานพับคล้ายขากรรไกรที่มีฟัน

มากกว่าหนึ่งศตวรรษที่ผ่านมา สมมติฐานที่ได้รับการยอมรับกันอย่างกว้างขวางคือการปิดของกับดักเกิดจากการกระจายตัวใหม่อย่างรวดเร็วของน้ำภายในใบ โดยน้ำเคลื่อนที่ระหว่างเซลล์เพื่อทำให้ด้านหนึ่งของใบพองตัว แต่การวิจัยใหม่ชี้ไปยังกลไกทางชีววิทยาที่แตกต่างออกไป

"หนึ่งในพืชที่มีชื่อเสียงที่สุดในโลกยังคงสร้างความประหลาดใจให้เราได้ หลังจากการวิจัยมากกว่าหนึ่งศตวรรษ เรายังคงค้นพบสิ่งใหม่ๆ ในเชิงพื้นฐานเกี่ยวกับการทำงานของกาบหอยแครง" Yoël Forterre นักฟิสิกส์จากหน่วยงานวิจัยฝรั่งเศส CNRS และมหาวิทยาลัย Aix-Marseille ผู้เขียนอาวุโสของการศึกษาที่ตีพิมพ์เมื่อวานนี้ในวารสาร Science กล่าว

กาบหอยแครงเป็นพืชกินแมลงขนาดเล็กที่มีถิ่นกำเนิดในพื้นที่จำกัดของรัฐนอร์ทแคโรไลนาและเซาท์แคโรไลนาในสหรัฐอเมริกา เช่นเดียวกับพืชกินแมลงหลายชนิด มันเติบโตในสภาพแวดล้อมที่ขาดแคลนธาตุอาหาร และเสริมโภชนาการด้วยการจับและย่อยแมลง

ในการทดลองที่ดำเนินการในเมืองมาร์แซย์ นักวิจัยใช้การถ่ายภาพความเร็วสูง การวัดทางกลศาสตร์โดยการกดบนชั้นนอกของพืช และการสร้างแบบจำลองทางกลศาสตร์ พวกเขายังวัดการขนส่งน้ำภายในเนื้อเยื่อพืชเพื่อตัดประเด็นดังกล่าวออกจากกลไกที่เกี่ยวข้อง

"พืชชนิดนี้ใช้ขนกระตุ้นพิเศษที่อยู่บนพื้นผิวด้านในของกับดัก เมื่อแมลงสัมผัสขนเหล่านี้สองครั้งในช่วงเวลาสั้นๆ กับดักจะปิด การปิดอาจเกิดขึ้นได้ภายในเวลาเพียงหนึ่งในสิบของวินาที" Forterre กล่าว

"สมมติฐานของเราคือกับดักได้รับการกักเก็บพลังงานทางกลไว้ก่อนการกระตุ้น คล้ายกับสปริง เมื่อกับดักได้รับการกระตุ้น ผนังเซลล์ของชั้นหนังกำพร้าด้านนอกจะอ่อนตัวลงอย่างรวดเร็วประมาณ 30 ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ หมายความว่าผนังเซลล์มีความยืดหยุ่นมากขึ้น สิ่งนี้ปล่อยความเค้นภายในที่สะสมอยู่ในเนื้อเยื่อและทำให้กับดักงอและปิดตัว การอ่อนตัวเกิดขึ้นภายในประมาณหนึ่งวินาที" Forterre กล่าว

เมื่อกับดักปิดสนิท แมลงจะถูกปิดผนึกอยู่ภายในเพื่อการย่อยสลาย

"ด้วยการวัดกลศาสตร์ของกับดักที่มีชีวิตโดยตรงขณะที่มันตอบสนอง เราสามารถระบุ 'มอเตอร์' ภายในที่ขับเคลื่อนใบผ่านเกณฑ์ความไม่เสถียรและจุดชนวนการโก่งตัวแบบสแนปที่ทำให้มันปิด" Jeongeun Ryu นักฟิสิกส์และผู้เขียนหลักของการศึกษา ซึ่งทำงานในการศึกษานี้ในฐานะนักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ CNRS และมหาวิทยาลัย Aix-Marseille กล่าว

หลังจากพืชดูดซับของเหลวที่อุดมด้วยธาตุอาหารที่ผลิตจากกระบวนการย่อยอาหาร กับดักจะเปิดออกอีกครั้ง โดยมีเพียงเปลือกนอกที่ว่างเปล่าของแมลงหลงเหลืออยู่

"สิ่งที่ฉันพบว่าน่าทึ่งคือวิวัฒนาการมักไม่ได้สร้างกลไกใหม่ทั้งหมด แต่นำกลไกที่มีอยู่มาใช้ซ้ำและปรับปรุง พืชเป็นที่รู้จักว่าสามารถปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางกลของผนังเซลล์ระหว่างการเจริญเติบโต แต่กาบหอยแครงดูเหมือนจะผลักดันกลไกนี้ไปสู่ขีดสุด โดยใช้มันในระยะเวลาประมาณหนึ่งวินาที" Forterre กล่าว

มีพืชกินแมลงที่รู้จักประมาณ 800 สายพันธุ์ พวกมันไม่ได้มีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกันทั้งหมด บ่งบอกว่าการกินเนื้อวิวัฒนาการขึ้นมาอย่างอิสระหลายครั้งในระหว่างวิวัฒนาการของพืช

วิธีที่กาบหอยแครงปิดอย่างรวดเร็วเป็นหัวข้อที่นักวิทยาศาสตร์สนใจมานานรวมถึง Charles Darwin นักธรรมชาติวิทยาในศตวรรษที่ 19 ผู้ที่พัฒนาทฤษฎีวิวัฒนาการโดยการคัดเลือกโดยธรรมชาติ นักวิจัยมองเห็นการประยุกต์ใช้ในทางปฏิบัติที่เป็นไปได้จากการค้นพบของพวกเขา

"เท่าที่เราทราบ นี่เป็นครั้งแรกที่มีการพบเห็นการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วดังกล่าวในคุณสมบัติทางกลของผนังเซลล์ในพืช" Ryu กล่าว

"มันตอบคำถามที่ย้อนกลับไปถึง Darwin ว่าอะไรเป็นตัวขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวที่เร็วที่สุดอย่างหนึ่งในอาณาจักรพืช และชี้ให้เห็นวิธีใหม่ในการเคลื่อนที่ของสิ่งมีชีวิต ไม่ใช่การสูบของเหลวหรือการยุบตัวอย่างง่ายๆ แต่เป็นการปรับความแข็งของวัสดุของตัวเองอย่างแข็งขัน หลักการนั้นอาจเป็นแรงบันดาลใจให้กับหุ่นยนต์นุ่มหรือวัสดุอัจฉริยะในที่สุด แม้ว่านั่นจะยังคงเป็นแนวโน้มระยะยาว" Ryu กล่าว — Reuters