食肉植物是如何进化来的?

大科技奇妙杂志 2025-02-20 14:48:54

19世纪末,关于食人植物的可怕传说在西方流行一时。有的讲述的是,不小心的旅行者在某个遥远的地方被张牙舞爪的树一把抓住并吞噬;另有的讲述的是,某个科学狂人用生牛排喂养他的植物,最后自己也被植物吃掉。

这些恐怖故事的流行,要归功于达尔文。直到达尔文的时代,大多数西方人都拒绝相信植物会吃动物。他们认为,这违背了自然规律:动物能吃植物,因为动物能四处移动;植物不能移动,所以只能被吃。达尔文花了16年时间观察,证明情况并非如此。他表明,一些植物的叶子已经进化出巧妙的结构,不仅能够诱捕昆虫和其他小动物,还能消化和吸收它们尸体释放出来的营养物质。

食肉基因并非来自动物

自达尔文的发现以来,植物学家、生态学家、昆虫学家和分子生物学家已经探索了食肉植物的方方面面。但最大的问题依然存在:这些植物是如何进化出吃肉的本领的?

在这方面,化石几乎没有提供任何线索。但新兴的DNA测序技术给了我们解决这一问题的一个途径:寻找与食肉性有关的基因,精确指出这些基因何时何地被启用,并追踪其起源。

当谈到食肉植物的起源时,最容易让人想到的是,这些植物身上与食肉习性有关的基因,会不会是从动物身上获得的?因为众所周知,基因有时会从一种生物“平行”转移到另一种生物。

不过DNA测序表明,植物的食肉基因跟动物一点关系都没有。相反,最近的一系列研究表明,这些基因十分古老,在开花植物中早已普遍存在,只是被食肉植物巧妙地改变了用途而已。这样做也完全符合进化的“经济”原则:将旧物改造后加以利用,总比为实现新用途重新发明一物更省事。

植物进化出食肉性的驱动力

据DNA分析表明,在开花植物存在的1.4亿多年里,肉食性至少独立进化过12次。这意味着,在今天已知的大约800种食肉植物中,食肉性并非同出一门,而是有着众多不同的起源。这种为实现相同的功能而来源不同的进化,在生物学上叫“趋同进化”。趋同进化最著名的例子是鸟类的翅膀和蝙蝠的翅膀。

趋同进化的驱动力是一样的。鸟类和蝙蝠进化出翅膀,都是为了飞翔。植物每一次进化出食肉性,其驱动力都是为了找到一个重要营养物质的替代来源。

这是因为食肉植物的祖先,要么生长在营养不良的沼泽地中,要么生长在贫瘠的热带土壤里,这些栖息地都缺乏植物生长所必需的氮和磷。与此同时,在那些地方,昆虫和小型无脊椎动物倒是挺丰富,它们富含氮(在蛋白质中)以及植物所需的其他元素。要知道,单靠一只大昆虫,一株捕蝇草就可以生活三周。所以,面临如此大的诱惑,植物就渐渐地打起了吃肉的主意。

食肉植物的异同点

在诱捕猎物方面,在已知的食肉植物中,它们的策略各有不同。有些是“守株待兔”型的,如猪笼草和很多茅膏菜属植物。它们有着瓶状的陷阱,阱沿滑溜或带有黏性的毛刺,干等着猎物自己一不小心滑下去或被黏住,慢慢饿死、累死。

其他的则更具有攻击性。例如,一些茅膏菜属植物一旦觉察到有猎物落到叶子上,叶片就迅速卷曲,将猎物一把抓住。最复杂的是捕蝇草,它有敏感的毛刺,能发信号让陷阱快速关闭,还能区分落下的是昆虫还是雨滴或落叶。

尽管这些陷阱在形状以及诱捕方式上存在巨大差异,但它们都是经过改造的叶片或叶片的一部分,而且所有食肉植物都主要通过叶子而不是根部来获得营养。这又是它们的共同点。

旧基因新用途

我们知道,叶子最普遍的功能是进行光合作用。那么,食肉植物是如何把全部或部分的叶子的功能转换成捕食和消化的呢?

尽管还有许多谜有待解开,但研究已经为我们揭示了,食肉植物在进化过程中,是通过重新利用已有的某些基因,赋予它们新的功能(如消化和吸收),来适应其新的角色的;而且这些基因都涉及植物古老的防御系统。

早在1970年代,研究人员就认识到,他们在食肉植物瓶状陷阱中发现的消化液中含有许多酶,其功能与植物对付细菌、真菌和昆虫时使用的许多“化学武器”非常相似。随后他们证实,这些酶都是植物自己制造的。这些酶有几十种之多。今天,快速的DNA测序技术让科学家能够确定编码这些酶的基因,并在植物捕捉和处理猎物时监测其活动。

赋予旧物以新的功能,这一情况不限于消化。随着动物受害者的甲壳素、蛋白质和DNA被分解成更小的分子,陷阱还必须能够将其吸收。在普通植物中,吸收养分是根部的工作,在那里各种转运蛋白不断地将养分从土壤中运输到植物体内。而转运蛋白同样也存在于食肉植物的叶子里。

譬如,科学家在捕蝇草的叶子上发现了两种对植物来说最重要的营养物质——氮和钾——的转运蛋白。在食肉植物身上,为了使叶子能够吸收养分,进化似乎把本来只在根部才活跃的基因征用了,让它们在新的地方工作。所不同的是,普通植物中转运蛋白基因在根部始终是活跃的,而在食肉植物的叶子上,只有当营养物质开始从分解的猎物中流出时,它们才会被开启。

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