當捕蠅草用其肉質葉片夾住毫無防備的昆蟲時，獵物的遊戲就結束了。這種植物以動物為食的 необычный 習性吸引了從查爾斯·達爾文到劇作家霍華德·阿什曼和作曲家艾倫·曼肯（後兩者創作了 1982 年的音樂劇《恐怖小店》，該劇的主角是一株食人植物）等人的想象力。現在，在一項可能看起來像是直接從庸俗科幻小說中走出來的實驗中，科學家們自己利用了捕蠅草的力量：他們開發出一種使用柔軟的半有機人造神經元觸發其陷阱的方法。
“我們研究的總體目標是嘗試開發可以模擬我們體內構建模組功能的裝置，”瑞典林雪平大學的有機奈米電子研究員、研究合著者西蒙娜·法比亞諾說。捕蠅草為生物與電子裝置之間的介面提供了一個有效的試驗場，法比亞諾和他的團隊希望，有一天，這可能導致用於監測人類健康的完全整合的生物感測器——或者為人們提供更好的介面，以便用他們的神經控制先進的假肢。該結果上週發表在《自然通訊》雜誌上。
這並非科學家首次控制捕蠅草。奧克伍德大學的亞歷山大·沃爾科夫數十年來一直在研究植物電生理學——特別是捕蠅草。2007 年，他和他的實驗室將銀線連線到捕蠅草的捕捉機制上，並在系統中通入電流，導致葉片閉合。
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此類實驗之所以有效，是因為運動是由類似於動物神經系統的裝置控制的。在捕蠅草中，韌皮部（將營養物質輸送到植物全身的組織）包含離子通道，帶電粒子可以透過這些通道流動。這會觸發植物的葉片閉合，類似於電流沿著動物的神經流動以向其肌肉傳送指令的方式。但是這兩個系統之間存在一些關鍵差異。“在捕蠅草中，鈣會減輕[電]反應，而在動物中，通常是鈉，”俄勒岡健康與科學大學的生物化學家斯韋塔·穆爾蒂說，她也研究捕蠅草，但未參與這項新研究。此外，與動物神經元相比，植物的膜是超極化的。這意味著科學家必須使用額外的電流才能在捕蠅草中引起反應。他們透過將帶電的氯離子摻入他們的電子裝置來實現這一點。
儘管存在這些差異，但由於離子通道的尺寸，捕蠅草的離子通道仍然是測試神經活動的好模型。“在實驗中很容易測量，”沃爾科夫說。而且，陷阱巨大的蛤殼狀閉合運動是訊號已透過的明顯標誌。此外，與在實驗室中使用動物相比，使用植物的倫理考量更少。
為了使他們的捕蠅草閉合，法比亞諾和他的同事構建了一種類似神經元的電子裝置。他們首先透過絲網印刷將碳和氯化銀電極印刷到聚酯基底上。“這就是你在 T 恤上印刷標籤時使用的東西，”法比亞諾解釋道。“這是一種非常非常簡單的製造電子產品的方法。” 接下來，他們將電極連線到植物陷阱的葉片和中脈（或摺痕）上，並在系統中通入電流——首先是高頻率，然後是低頻率。他們發現高頻率觸發了快速反應，但低頻率不足以閉合陷阱。
這種設定在某種程度上類似於沃爾科夫的原始工作和先前涉及人造神經元的研究，但在幾個關鍵方面有所不同。首先，它沒有使用矽，矽是大多數其他人造神經元的剛性和相對昂貴的元件。與早期捕蠅草研究不同，它透過在絲網印刷電極內包含一個微小的間隙（在真實的神經細胞中稱為突觸），離子可以在該間隙中跳躍，從而模擬了真實神經元的結構。
儘管法比亞諾認為他團隊的結果令人鼓舞，但他承認該系統尚未準備好與人類細胞對接。“在我們達到生物神經元的能量效率之前，我們還有幾個數量級，”他說。一旦人造神經元變得更有效率，他認為這項技術有可能用於在人的訊號神經和人造肢體之間建立聯絡，從而實現無縫的假肢控制。
沃爾科夫不相信這項新研究代表了真正的突破。他說，許多研究人員已經設計了與植物對接的系統。“有些人已經透過智慧手機關閉了捕蠅草，”沃爾科夫補充道。考慮到植物和動物生理學的差異，他不確定該系統是否可以轉化為控制外部裝置的真實神經元。
穆爾蒂更加樂觀。“我認為這項研究為開發和整合可植入裝置作為生物感測器提供了強大的潛力，”她說。“這是一個原理驗證實驗。”