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會數數的捕蠅草

葉綠舒
・2016/08/12 ・1492字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 460 ・五年級

從先前的研究可知,在 30 秒之內連續碰兩下捕蠅草葉片內側的感覺毛(sensory hair),而且這兩下都要能夠引發捕蠅草產生動作電位(action potential,AP),這時捕蠅草就會在小於 1 秒的時間內把它的「蟲夾」(葉片)關起來。

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捕蠅草,可以看見葉片內側的感覺毛。圖/wikipedia

只數兩下?真的很性急耶!不過,關起來以後,捕蠅草是否馬上就開始分泌消化液呢?由來自歐洲與澳洲的科學家們所組成的研究團隊,想要知道捕蠅草數完「一、二!」以後的故事,於是他們進行了一連串實驗。在「蟲夾」關閉後,捕蠅草便會開始製造茉莉酸(jasmonate, JA);茉莉酸接著與它的受器 COI1-JAZ1 結合,接著 JAZ1 便會被泛素化(ubiquitination),然後分解。但是,JAZ1 的泛素化與分解,會使它的表現量上昇。

有意思的是,頭兩個動作電位發生時,JAZ1 與 COI1 的表現量維持不變,這時候茉莉酸的分泌也還沒有開始;接下來的動作電位的出現(代表被抓到的昆蟲持續掙扎),造成茉莉酸的分泌開始上昇,於是 JAZ1 與 COI1 的表現量也開始出現變化──JAZ1 表現量上昇而 COI1 下降。

第五個動作電位出現時,JAZ1 的表現量到達最高峰(為一開始的 5.5 倍),這時候腺細胞內的鈣離子濃度開始上昇,接著包括幾丁質酶(chitinase)在內的許多水解酶(hydrolase)便會開始分泌了。

捕蠅草的動作電位

要產生動作電位,需要在短時間內把大量的離子運出/運入細胞。由於吃肉的生物常會從肉食中取得所需要的鈉離子,研究團隊對於捕蠅草是否會由它們吃的肉裡面取得鈉離子感到非常好奇,於是他們用飼料(內含的鈉離子較容易定量)來餵食捕蠅草。當然,用飼料餵食還是不能忘記要去刺激一下捕蠅草的葉片的。

結果發現,在餵食後 6 小時,捕蠅草細胞內的鈉離子濃度開始上昇,到 12-24 小時到達高峰並繼續維持 2-3 天。由於只有葉片的細胞呈現鈉離子濃度上昇的現象,這也顯示了捕蠅草的確會吸收獵物的鈉離子

為了進一步證明捕蠅草的確會吸收鈉離子,研究團隊分析了捕蠅草的鈉離子通道蛋白 DmHKT1。結果研究團隊發現,從零到第三個動作電位發生之間,DmHKT1 的表現量都沒有變化;但是在第五個動作電位(又是第五個!)發生後,DmHKT1 的表現量開始上昇,並於四小時候達到最高,可達原來的 60 倍。同時也發現,DmHKT1 的表現受到 JA 的調節。這顯示了捕蠅草雖然是植物,但是吃肉的植物與吃肉的動物一樣,會吸收獵物的鈉離子來作為產生動作電位使用。不只是鈉離子,研究團隊還發現捕蠅草可能還會吸收獵物的銨離子(NH4+)與鉀離子(K+喔!

死亡的倒數計時

所以,當蟲兒降落在捕蠅草的葉片內部時,若只碰一下、或是只有輕輕的碰幾下感覺毛,捕蠅草是不會關門的。在捕蠅草被碰了第一下以後,只要 30 秒內它的感覺毛又被用力碰了一下,這時候捕蠅草便迅速地將葉片關上。接著若真的抓到蟲了,蟲兒當然會開始用力掙扎,於是……

「三、四、五!」

腺細胞內的鈣離子濃度上昇、茉莉酸受器基因 JAZ1 表現量上昇、水解酶大量分泌、鈉離子通道基因 DmHKT1 表現量也上昇,隨著葉片關得越來越緊,形成一個如胃(「綠胃」,green stomach)的構造,等到蟲兒被消化殆盡後,葉片才會打開,讓蟲兒的殘渣掉出來。

所以,捕蠅草真的會數數喔!不過,捕蠅草的數法是:

「一,二!三,四,五!!!」

吃完蟲兒重新打開的捕蠅草葉片。圖片來源:wiki
吃完蟲兒重新打開的捕蠅草葉片。圖/wikipedia

參考文獻:

本文原出自臺灣大學科學教育發展中心其他單位需經同意始可轉載


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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。


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我們的失眠和喜鵲的失眠有什麼地方不一樣?

胡中行_96
・2022/05/12 ・2031字 ・閱讀時間約 4 分鐘

輾轉反側,徹夜難眠的時候,您幾點起床?就算醒了,工作效率是否異常低落?
在此,請您非但別只想到自己,還要拿出一點同理心:因為被剝奪睡眠的澳洲喜鵲,也深受困擾。

徹夜難眠很可能會影響工作效率。圖/Pixabay

捉野生喜鵲來做失眠相關的實驗

2022 年 4 月的《科學報告》期刊,有一篇標題冗長的論文,叫做〈失眠削弱澳洲喜鵲的認知表現並改變其歌曲產出〉[1]。其第一作者澳洲 La Trobe 大學博士候選人 Robin Johnsson,認為歌唱的時辰與類型,對於喜鵲的社交生活相當重要,並以此做為研究主題[2]。且不論在 COVID-19 疫情之前,有些人就已經沒什麼社交生活,更不要談呼朋引伴一起歡唱 KTV,人家喜鵲可是隨時都過得多采多姿。

喜鵲齊聲合唱。影/Youtube

於是,牠們就被科學家抓去做實驗了。

首先,研究團隊架設陷阱,用起士誘捕野生喜鵲。為牠們戴上標有序號的腳環之後,再關進裝有監視器的房間裡。接著,為了測量腦電波圖(electroencephalogram, EEG)與肌肉電位圖(electromyogram, EMG),科學家把無辜的喜鵲抓來開刀。於其腦部表面和頸部肌肉,植入電極貼片(electrodes),方便之後記錄睡眠狀態[1]

然後,喜鵲們就去接受特訓。

反覆訓練後篩選符合資格的喜鵲來做失眠實驗

研究團隊準備了一種木製食器,左右各挖一個淺槽。其中一個槽裡,盛裝少量起士和麵包蟲。第一次食物直接攤在眼前,不加以掩飾;第二次猶抱琵琶半遮面;第三次開始蓋子完全擋住凹槽,令喜鵲啥也看不見。在訓練的初期,全部的食器都採用灰色蓋子。直到最後的「聯想學習」(associative learning),蓋子被換成黑色或白色。喜鵲掀開特定顏色的蓋子,發現下面藏有食物。這樣重複 15 次,讓牠們不把「食」、「色」的關係兜在一起也難[1]

認知測試的教具,澳洲喜鵲執行聯想或逆向學習任務。圖/參考資料 1

結訓後,研究團隊把食器裡的獎勵換成「不會動的麵包蟲冷盤」(chilled, unmoving mealworms),為喜鵲舉辦驗收成果的模擬考。除了執行「聯想學習」的覓食活動,科學家也期望牠們展現「反轉學習」(reversal learning)的能力。將蓋子的顏色調換,要喜鵲嘗試選出有食物的凹槽。這個階段有一些評分要點[1],例如:

  1. 喜鵲做出第一次選擇時,是否有延遲的行為。緩慢的反應,代表注意力不集中,或動機下降。
  2. 喜鵲得經過幾回,才能達到連續 12 次嘗試中,有 10 次正確的及格分數。
  3. 喜鵲選擇正確瓶蓋的比率。

凡是順利通過模擬考的喜鵲們,便能晉升至下一關。

在實驗的主要階段,喜鵲們被劃為三組,分別體驗下列三種睡眠模式之一:無干擾睡眠、6 小時睡眠剝奪,以及 12 小時睡眠剝奪。研究人員防止喜鵲睡著的花招,包括:迫近或拍打鳥舍、發出噪音,或是輕撫充滿睡意的喜鵲[1]。如同可憐的臺灣中學生,明明前晚都沒睡飽,隔天還得參加考試。研究人員存心要看失眠的喜鵲,怎麼失常。

人類跟喜鵲一樣會被睡眠影響行為

正式測驗的結果不出所料,沒睡飽的喜鵲容易犯錯,而且要花較長的時間,才能選出正確答案。有些喜鵲甚至失去參與測驗的動機,傾向找機會補眠。其實以前的研究便顯示,失眠也會降低人類的認知表現。諸如參與動機、清醒程度(alertness)、注意力、警戒等級(vigilance)等,都會受到負面影響[1]

除了喜鵲考試的成績,科學家也記錄了牠們社交行為的變化。失眠的喜鵲寧可睡覺,也不要唱歌。最後就算唱了,單曲的長度卻意外地延展。原本的晨曲改在中午演出,頻寬變得狹窄,內容相較貧乏,顫音也明顯減少。這與人類的口語溝通,大同小異。當一個人睡眠不足,說話的速度會緩慢下來,咬字不如平常清晰,語句重覆的機率提高,甚至可能妨礙聽眾理解講者所要傳達的訊息[1]

澳洲喜鵲有複雜的家族。牠們用歌聲來劃定疆域,分辨敵友,並建立「鳥」際關係。失眠不僅會害喜鵲把歌唱得七零八落,也會進一步危及其社交生活。既然以往的人類睡眠實驗結果,與喜鵲有那麼多的相似處,下次在抱怨疫情害自己沒朋友之前,我們是不是應該先睡飽,再來思考怎麼社交呢?

睡飽再來社交比較不會被睏意影響思考。圖/Pexels

備註:此實驗結束後,參與受試的澳洲喜鵲,均在 2019 年 7 月被野放。

參考資料:

  1. Sleep loss impairs cognitive performance and alters song output in Australian magpies (Scientific Reports, 2022)
  2. Researchers find what magpies lose from hitting snooze (Brisbane Times, 2022)


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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。