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首先,大家可能會有一個疑問:植物食肉真的存在嗎?其實這個現象並不罕見,像豬籠草、金星捕蠅草、茅膏菜等等。而像金星捕蠅草這樣的食肉植物已經進化成為熟練的昆蟲獵手。那麼關於植物食肉的真相到底是如何?它們的進化過程到底是什麼樣的呢?
大約7000萬年前,當恐龍在地球上漫遊時,一種基因異常使一些植物變成了肉食動物。一項新的研究發現,這在一定程度上是通過一個神秘的行為完成的:即重新利用基因的根和葉,用它們來捕捉獵物。吃肉的轉變給了這些植物帶來了許多好處。事實上,食肉植物通過捕獲和食用富含營養的動物獵物,使它們在營養貧瘠的土壤中茁壯成長,從而扭轉了瀕臨滅絕的局面。
總結下來,科學家分析了一些非食肉植物花了數千萬年才變成飢餓食肉動物的進程。為了研究食肉植物是如何進化的,德國某大學副教授領導的一個由植物學家和生物學家組成的國際團隊對三種現代食肉植物的基因組和解剖學進行了比較。這三種都是相關的食蟲植物,它們都是茅膏菜科的成員。
其中一種植物是熟悉的金星捕蠅草(Dionaea muscipula),原產於卡羅萊納州的溼地,看過神奇寶貝的朋友都知道裡面也有一種捕食昆蟲的植物,叫做捕蠅草,其實是受了金星捕蠅草的啟發。而與金星捕蠅草密切相關的水生水車植物(Aldrovanda vasculosa)幾乎佔據了所有大陸的水域。它有細長的水下襟翼,在毫無戒心的海洋動物周圍迅速收緊。第三種被調查的植物,是一種美麗但致命的太陽花植物(Drosera spatulata),在澳大利亞很常見。主要是用甜味引誘受害者,太陽花在捕獲物周圍捲起一條粘條進而來捕捉獵物。
植物「吃肉」演變過程
在分析了這些植物之後,研究小組發現了向肉食動物發展的三個步驟。首先,大約在7000萬年前,三種現代植物食肉動物的早期非食肉祖先經歷了全基因組複製,產生了其整個DNA或基因組的第二個副本。這種複製釋放了葉和根基因的一個拷貝過程,使其發展更加的多樣化,使它們能夠發揮其他功能。一些葉片基因發展成為陷阱基因,而食肉動物的營養和吸收過程則是由基因引導的,否則這些基因將為從土壤中尋找營養的根系服務。
當植物開始從獵物那裡獲得新的營養時,它們食肉過程的第二步就發生了。那時,傳統的葉子和根不再是必要的了。許多與肉食性營養無關的基因開始消失。例如,水生水車植物的幼苗會獲得一個最原始的原根,但它不能隨著它們的成熟而發育,最終會失去。由於失去了這個基因和其他基因,在這項研究中觀察到的三種植物是迄今為止被測序的基因最差的植物。
2013年,其他科學家小組的兩項早期研究顯示,其他食肉植物也有類似的基因缺陷發現。他們發現,除了南極洲之外,所有大陸上都生長著一個水生球囊植物,以及原產於巴西的一種螺旋狀地被植物,與非食肉植物相比,它們的基因組都非常小。據此,科學家推測這些食肉動物可能也經歷了同樣的基因脫落過程。
在向食肉動物轉化的第三步中,植物經歷了特定於環境的進化變化。研究人員發現,根和葉進化成了陷阱特異性。根的基因曾經被用來從土壤中尋找和吸收養分,現在被用來製造消化和吸收獵物養分所需的酶。曾經用於分泌花蜜以吸引授粉昆蟲的腺體的基因被轉移到陷阱中,在那裡它們產生一些誘人物質來吸引獵物。
總結下來,大多數有葉子和根的植物含有成為食肉動物所必需的物質。隨著時間的推移,這些綠色植物慢慢轉變成了如今的摸樣!