本文發表於《大眾科學》的前部落格網路,反映了作者的觀點,不一定反映《大眾科學》的觀點
儘管植物以其固著不動而聞名(紮根或許是穩定的終極象徵),但它們能夠進行一系列令人驚訝的運動,而不僅僅是像捕蠅草那樣的植物。
觀察
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在:36,孢子看起來像幾十只微小的蜘蛛一樣匆匆忙忙地爬行,在 1:17,它們像《夏洛特的網》中告別威爾伯的小蜘蛛一樣,從一簇孢子中彈射出來。它們強有力的爬行和跳躍——它們可以達到 1 釐米的高度,大約是自身體長的 20 倍——當然值得用“動物”來形容。如果它們優美的舞步對於植物來說還不夠非凡,那麼它們在整個過程中設法燃燒零卡路里的事實也令人驚歎。動物們,你們輸了。
木賊是一種古老的植物,大約在 3.5 億年前的早石炭紀進化而來。許多是林下植物,但有些是高大的樹木。恐龍曾與它們共存,它們至少經歷了兩次重大的物種滅絕。這種植物很容易辨認,但體型矮小;它們具有節狀、輪生的外觀,通常具有粗糙、玻璃狀的外表。這是有原因的——它們表面覆蓋著二氧化矽,二氧化矽是玻璃的主要成分,而且傳聞先驅者用它們來擦洗鍋子,這種用途使它們獲得了另一個俗名“擦洗草”。
這種植物看起來像這樣。它們幾乎全是莖;它們的葉子以小小的退化黑條紋的形式出現在節的帶狀區域。
孢子從看起來像這樣的孢子囊穗(技術上稱為孢子葉球)中釋放出來。你也可以在這裡更好地看到它們的小退化黑葉。
科學家們早就知道木賊孢子被四條稱為彈絲的長條包裹著,這些彈絲像橘子皮一樣圍繞著新生的孢子組合在一起。當相對溼度下降時,這些成熟的彈絲會展開。雖然木賊喜歡生長的沼澤和溼地很潮溼,但這可能會在陽光明媚或颳風的日子發生。
一個法國科學家團隊(他們也製作了您觀看的影片)著手研究這些運動的動力學,以及木賊孢子如何利用它們來四處移動。他們在11月的《英國皇家學會學報B》上發表了他們的研究結果。
他們發現,當木賊彈絲隨著溼度升高而重新捲曲時,它們永遠無法完全恢復到您在這張圖片的右上角看到的整齊緊湊的狀態,就像一張您永遠無法正確重新摺疊的地圖一樣。相反,彈絲的臂會纏結在一起。這種纏結是它們運動的關鍵,因為它們與所停留的任何表面的接觸點的隨機分佈會影響孢子在彈絲下次展開時的移動方向。這就是您在微小蜘蛛中觀察到的隨機行走。
如果孢子非常幸運,正確的纏結彈絲配置將在下次乾燥時產生跳躍,因為有時兩個彈絲會卡住。當溼度下降時,卡住的彈絲之間的摩擦力會儲存能量,當這種儲存的能量超過摩擦力時,孢子將向上彈起,由接觸地面的彈絲推動。
如果孢子在航空飛行期間碰巧趕上微風,這真可能成為孢子非常美好的一天。彈絲可能像風帆一樣發揮作用,大膽地將它們帶到以前可能沒有孢子去過的林間空地和草地。如果孢子從不離開地面,它們這樣做的機率將大大降低。正如苔原植物所知,離地面越近,風就越平靜。在這些科學家進行的風洞測試中,風力為蒲福風級 3 級(“輕微的微風”),跳躍的孢子搭上了空氣的順風車。那些留在地面的孢子在風速為 5 米/秒(約 11 英里/小時)或更低時保持靜止,並且僅在更高的速度下才沿著地面滑行。
木賊孢子之所以能夠在不消耗卡路里的情況下做到這一點,是因為它們的彈絲結構。它們由兩層組成——一層緻密的纖維素微纖絲層,頂部覆蓋著一層低密度的纖維素吸收層。隨著溼度的增加,這種低密度層膨脹,彈絲捲曲閉合。當空氣乾燥時,吸收層收縮,拉開彈絲。由於動力源是不斷變化的溼度,因此燃料是免費的。最終結果是,木賊孢子可以反覆出擊,它們的漫遊癖僅受天氣變化的影響。
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我在本月 Carin Bondar 的 PsiVid 部落格上的“最佳部落格”影片中,做了一個關於我最近一篇關於菸草環斑病毒和蜜蜂的文章的短影片片段。您可以在這裡檢視。
Moselio Schaechter 在優秀的微生物學部落格Small Things Considered上最近發表了一篇不錯的文章,重點介紹了他最喜歡的微生物學部落格,並且他非常友善地說了我以及我的部落格的一些好話。謝謝你,Elio!
參考文獻
Marmottant P.、Ponomarenko A. & Bienaime D. (2013)。問荊孢子的行走和跳躍,《英國皇家學會學報B:生物科學》,280 (1770) 20131465-20131465。DOI:10.1098/rspb.2013.1465


