寝る場所を提供して、うんちを探しましょう！ – これは、食虫植物ウツボカズラ ヘムスレヤナがケナガコウモリを水差しに引き寄せる方法です。そして、彼らは、こっそり入って昼寝をした後、家賃の支払いを喜んでそこに置き去りにします。すべて肉食動物であるほとんどのピッチャー植物では、進化の過程で、単純な葉が、消化液で満たされ、昆虫や小さな節足動物がその中に落ちるのを待つ豪華な容器、つまり水の墓に変わりました。しかし、生物学者は最近、驚くべき観察を行った。それは、一部の食虫植物はパートナーである動物と同盟を結び、双方に利益をもたらしているというものだ。たとえば、コウモリには静かに眠る場所があり、植物は動物の糞便から栄養を摂取します。
不毛の土地での生存
しかし、120種が知られているウツボカズラの属には、肉食動物と呼ばれる典型的な肉食動物もいます。彼らは特別な洗練されたトリックを使用して昆虫、クモ、その他の小動物を捕らえ、消化します。それが糞便であれ、動物の餌であれ、重要なことは、植物が栄養素の供給を確保するためにルアーを使用することです。それらは主に窒素とミネラルを吸収しますが、少量ではありますがリン酸塩や硫黄化合物も吸収します。これにより、栄養の乏しい土壌でも繁殖しやすくなり、資源をめぐる競争、特に生態系内の他の種との競争において有利になります。
「食虫植物は光合成もするので、しばらく動物を捕まえなくても餓死することはありません。ただし、成長は少し遅くなります」とイエナのマックス・プランク化学生態学研究所のアクセル・ミトファー氏は言います。そして、グライフスヴァルト大学のマイケル・シェーナー氏は、「ほとんどのピッチャー植物種は栄養の乏しい土壌で生育するため、動物の獲物はオプションの『追加』ではなく、生存に必要なエネルギー増強として絶対に必要なものとなり得る。」と付け加えた。
トラップを形成するだけでもエネルギーがかかり、トラップ葉の光合成性能のバランスは他の葉に比べて悪い。他の多くの種が繁栄する栄養豊富な場所では、肉食動物は通常より急速に成長する競争に対抗するチャンスがありません。しかし、湿原、砂や岩、熱帯雨林、テーブルマウンテンなどの栄養の乏しい場所など、特定の欠乏状況により植物の競争力が低下している場所では、肉愛好家が成功しています。ほとんどの種は、明るく太陽が十分に当たる場所、湿った土壌、湿度 70% 以上を好みます。
「現時点では、肉を愛する食習慣は数回、最大でも10回程度独自に発達したと考えられています」とミトホーファー氏は言う。科学者たちは現在、810 種の食虫植物を知っていますが、これは過去 20 年間だけでも 2 倍以上に増加しています。肉食動物は 13 科に割り当てられています。マダガスカルや東南アジアの湿った熱帯雨林に生息するウツボカズラなど、いくつかの属には、それぞれ数十から 100 を超える種が含まれています。
鍋に引っかかった
食虫植物はさまざまな種類のトラップを使用します。ピッチャー植物や他のいくつかの種は「落とし穴トラップ」を使用します。原則は、滑って満杯の容器に落ち、二度と出られなくなることです。このポットは植物体に比べて巨大になる可能性があり、ネペンテス・ビカルカラタでこれまでに発見された最大の容量は、約3.5リットルの消化液であることが観察され、印象的な赤茶色のキャッチカップに保管されていました。このジュースも異常に甘いので、ここに大量に上陸し、蜜で覆われた滑りやすい水差しの端からすぐに罠に滑り込むのは昆虫だけではありません。シマリスやヤマネズミも集まり、ごちそうをしながら鍋にたくさんのフンを落とします。そして時々、小型哺乳類の1匹がすぐに滑り込んでくることがあります。
極度の滑らかさは、高度に微調整された微細構造によるものです。「植物細胞は、内側に傾斜した階段状に配置されています」と、以前はヴュルツブルク大学でそのような生体材料を研究し、現在はこれらの構造を研究しているヴァルター・フェダーレ氏は説明します。ケンブリッジ大学が取り組んでいます。 「水差しの内側に湾曲した端の表面もスリップフィルムで覆われています。また、水差しの内側にはワックス状のコーティングが施されており、中に落ちた動物が逃げるのを防ぎます。」
酸性環境での生存
ピッチャー植物ネペンテス・ビカルカラタも非常に珍しいパートナーシップを維持しています。そこにはアリが生息しており、それ以外の場合は主な獲物の 1 つとなります。 Camponotus schmitzi 種の標本は植物の空洞に生息しています。その代わりに、彼らは家主を捕食者から守ります。彼らはハサミを使って、ピッチャーの芽をかじったり、穴を開けたり、破壊したりするゾウムシを追い払います。アリはまた、鉢の縁をきれいに保ちます。そうしないとすぐに菌の糸で覆われてしまい、そこに止まった獲物の昆虫が滑り落ちてしまうほど滑りにくくなります。そして、昆虫が消化液から逃げ出そうとする試みを阻止するために、ポットの内側に折り畳まれたトラップの端の下を常に巡回しています。
カンポノトゥス自体が滑っても害はありません。アリは消化液の中で自発的に泳いだり潜ったりもします。そうすることで、バッタやカブトムシの破片など、より大きな生き物の塊を継続的に引き抜きます。植物はそれによって利益を得られるので、彼らにこの一口を食べさせます。小さな助っ人たちは、水差しから動物の部分を取り除くことで、ジュースの中に浮遊する未消化の有機物が多すぎてジュースが腐るのを防ぎます。しかし、カンポノトゥスがトイレの供物を食べると、塊などに結合していた窒素が排泄物を介して植物の消化液に戻ります。
なぜ消化液がカンポノトゥスアリに害を及ぼすことができないのかは不明です。やっぱりpHは
液体の価値は非常に低く、甘い味のジュースは化学的に非常に「酸性」であるため、実際に昆虫の殻の分子構造を短期間のうちに攻撃して破壊するはずです。 「しかし、この問題に陥る人にとっての主な問題は、混合物の粘度が非常に高いことです。動物たちは再び外に出ることができなくなり、最終的には溺れてしまうのです」とグライフスヴァルトの研究者シェーナー氏は言う。 「一方、カンポノトゥス・シュミッツィは、泳ぎと潜水の特別な方法を開発しました。これにより、少なくとも短時間であれば、これらの力に打ち勝つことができます。」
特に昆虫の外皮の主要物質であるキチンの受容体は、獲物が到着したことを植物に伝えます。キチンの殻を個々の分子部分に分解するのに必要な酵素は、ポットの消化液中に少量含まれています。植物は適切な栄養を登録すると生産量が増加します。ピッチャープラントの専門家であるミトホーファー氏は、「プラント内のほとんどすべてが、獲物を分解し、消化し、個々の物質を分解することを目的としている」と説明する。
見事なフラップトラップ
同じ理由で、キチンは別の肉食動物であるハエトリソウ (Dionaea muscipula) によって認識されます。そのおかげで、研究者たちは食虫植物の進化の起源と発展の道筋の一つを辿ることができます。 「植物は危険に反応し、その生物の他の部分に情報を伝えることができます」とヴュルツブルク大学バイオゼントルムのライナー・ヘドリッヒ氏は説明する。その後、例えば葉を食べる毛虫などの害虫に対する防御反応がすぐに起こります。 「これらの防御プロセスは、進化の過程での遺伝子レベルの変化によって、ハエトリソウや実際にはすべての食虫植物で逆転しました」とプロジェクト同僚のヨルグ・シュルツ氏は認めます。 「彼らの唯一の目的は昆虫を追い払うことではなく、むしろ昆虫を殺し、分解し、食べて消化することです。」
「フラップトラップ」の原理により、Dionaea muscipula はおそらく最も見事で最も珍しい捕獲技術を使用します。それ以外の場合、それは小さく目立たない水中トラップ (Aldrovanda vesiculosa) にのみ使用されます。ハエトリグサは、突然折れることもある毛の並んだ刃を使って獲物を捕まえます。このようにして、彼女はハエのように素早く逃げる生き物を捕まえることに成功しました。ハエは、差し迫った危険の兆候がほとんど感知されないと、300ミリ秒以内に逃げるため、ほとんどの攻撃者から逃れることができます。
この実行には特別な電気信号が不可欠です。彼らは昆虫が逃げるよりも早く罠をパチンと閉めます。このような迅速な反応は、神経やそのシナプス活動など、より強力な構造で知られる速度に匹敵し、植物界では他に例がありません。ドイツとスイスの研究チームがグルタミン酸受容体に似た植物の構造を特定したため、現在その説明が明らかになっている。これは、動物の神経系における信号伝達と刺激伝導において同等の役割を果たすタンパク質のグループです。 「私たちの実験では、グルタミン酸受容体または同じ機能を持つ構造がハエトリグサの電気的励起の中心的な鍵であることが確認されました」とヘドリッヒ氏は述べ、現在進行中の研究について洞察を与えている。
しかし、ハエ捕り器の感覚配線はさらに複雑です。結局のところ、植物は一方では迅速に反応する必要があり、他方では、捕獲した葉が反応しないように反応を適切なレベルに調節する必要があるのです。雨粒や風が吹くたびに崩れることはありません。たとえ無駄に閉じられた罠が、狩りが成功したとしても8日後ではなく、半日後に再び開いたとしても、植物は「大量の無駄なエネルギーを投資し、数時間獲物を捕獲する可能性を自ら奪ったことになる」 」とミトホーファー氏は言う。葉の内側にある小さな触毛が重要な役割を果たしており、葉の2つの半分にそれぞれ3〜4本あります。約 20 秒以内に毛の 1 つが 2 回触れられると、2 つの葉の半分は 10 分の 1 秒以内に閉じます。これは、植物界で既知の最も速い動きの 1 つです。
捕らえられた昆虫が垂直の触毛のいずれかに触れるたびに、神経細胞の炎症に匹敵する小さな電気インパルスが引き起こされます。 「植物は実際に数えることができます。これらの衝動を「加算」し、罠の中に生きた獲物がいるかどうかに関する情報を受け取ります」とヴュルツブルクの科学者ヘドリッヒ氏は言う。したがって、その動きが風の息によるものなのか、水滴によるものなのか、そわそわする動物によるものなのかを区別することができます。周波数に加えて、接触刺激の順序も明らかに重要です。結局のところ、落下する水滴は、自由を求めて戦うハエの足とは周波数と刺激強度の点で異なる運動パターンを生み出します。
「動物が死の苦しみの中で少なくとも5回センサーに触れると、罠の内側にある約37,000個の腺がすべて活性化します」とヘドリッヒ氏は言う。トラップを閉じた後、葉の半分の間に空洞が形成され、昆虫は放出された分泌物によって徐々に消化されます。実際、獲物が毛にどのように触れるかに応じて、植物は消化分泌物中の物質の範囲と組成を調整することさえできます。分泌物を分泌するのと同じ腺が栄養素も吸収します。
捕獲用の葉は、植物の捕獲器官、口、胃、腸、感覚器官として、6 つの中心的な役割を果たす真の万能植物です。そして、それらは獲物を引き寄せるための一種の広告スペースです。葉の内側のきれいな赤みがかった色が、葉の表面を魅力的な着陸帯に変えるきらめく蜜の滴と同様に、ここで役立ちます。さらに、ハインツ・レンネンベルク率いるフライブルクの研究者らは、この植物が「熟しすぎて腐った果実を思わせる抗しがたい香りで惹きつけられ、さらなる分析で示されたように、60種類の揮発性有機化合物で構成されている」ことを発見した。非常に広範囲の香りの助けを借りて、多くの種類の昆虫を引き寄せることができます。これは、さまざまな刺激の相互作用を利用して獲物を引き寄せ、不毛な場所での生存を確保する高度な植物システムです。
モウセンゴケのゲノム
多くの肉食動物は粘着性の分泌物を使って捕食します。例えばモウセンゴケでは、葉そのものと、葉が武装している小さな触手の頭にある腺から発生します。昆虫は飛沫の香りに引き寄せられ、わずかな接触でも付着します。被害者が逃げようとしてそわそわしたり、引っ張ったり、引っ張ったりすればするほど、植物はより多くの唾液を分泌し、獲物は取り返しのつかないほど絡みつきます。粘着トラップを使用するほとんどの種は、酵素を放出して消化を開始します。
通常はその逆で、動物が植物を食べるのです。一方、植物が動物を捕食し、動物の窒素を供給源として使用する場合、これはゲノムに反映されるはずです。研究者らは、モウセンゴケとピッチャー植物の両方において、肉食の進化的発達が遺伝子レベルでどのように反映されているかを調査してきた。日本の岡崎にある基礎生物学研究所の福島健二氏が率いる国際研究コンソーシアムは、トウモロコシ植物の遺伝学を調査した。次に、ヘドリッヒと協力している科学者たちは、密接に関連しているものの異なる狩猟技術を使用するモウセンゴケ科の 3 つの肉食動物、つまり滝、ハエトリソウ、そして数あるモウセンゴケの一種のうちの 1 種を、他の植物と比較しながら調べました。
ヘドリッヒ氏のチームは、最初の遺伝的適応が約6000万年前に肉食生活への道を切り開いたという結論に達した。プロジェクトを完了した後、最近ヴュルツブルク大学に移った福島氏は、ピッチャー植物についても同様のことを述べています。
驚くべきことは、そのゲノムの異常な大きさです。モウセンゴケとタワシのゲノムにはそれぞれ 3 億 2,300 万と 5 億 900 万の塩基対が含まれていますが、ハエトリグサのゲノムには 31 億 8,000 万の塩基対があり、これは人間のゲノムと同様の数です。詳細な検査により、科学者らは水トラップ内でゲノムの完全な 3 倍化を発見し、金星ハエトラップ内では個々のセクションのいくつかの重複とさらに複数の重複が確認されました。 「これらのコピーは、新しい機能を開発するために明らかに必要でした」とヘドリッヒ氏は説明します。
これらの重複を取り除くと、驚くべき結果が得られます。「他の陸上植物と比較して、肉食動物は異なる遺伝子の数が最も少ないのです」とヘドリッヒ氏は言います。 3 つの植物にはそれぞれ約 20,000 個の遺伝子しかありません。研究者らは、肉食ライフスタイルへの発展には高い進化圧力が伴い、それがゲノムの変化プロセスを引き起こしたと結論づけた。多くの特定の遺伝子または遺伝子グループが消失しましたが、他の遺伝子は明らかに多数必要でした。フクシマ氏は、ウツボカズラのゲノムも数百万年前に倍増したと述べ、「これは植物が小動物を捕食することで新たな食料源を開発した時代の始まりを示している」としている。
個々の遺伝子レベルで、研究者らは、研究した肉食動物の中で、肉食のライフスタイルに関連する280の特定の遺伝子グループを発見した。それらは、獲物を引きつけ、狩り、知覚し、消化過程の新たなステップや栄養素の吸収をコード化します。そのうち 30 個はモウセンゴケのすべての種に存在し、それぞれの遺伝子産物は本質的にタンパク質が豊富な獲物の消化に関与する酵素です。同様に重要なのは、3 つの植物すべてが光合成を実行できる完全な遺伝子構造をまだ持っているという発見です。
私たちは現在、ウツボカズラ アラタ (アジア)、サラセニア プルプレア (中南米)、セファロタス フォリキュラリス (オーストラリア) というピッチャー植物について知っています。これらは世界のさまざまな地域に自生しており、落とし穴トラップの原理を使用しています。ただし、これらは密接な関係ではありません。互いに同じ場所で成長します。同様の遺伝子変化がゲノム内で発生します。非食虫植物では、これらの遺伝子座はストレス反応や感染症に対する免疫反応に関連して活動します。ピッチャー植物の場合、それらは消化プロセスで使用される酵素を一貫してコードしています。 「全体として、肉をうまく分解して消化するという目標を達成する方法はいくつかあるが、最終的にはほんのわずかしかないことが、さまざまな研究で確認されています」と福島氏は要約する。研究者らによると、植物界全体でより多くの生物がこの形態の栄養と生命を選択していないという事実は、おそらく栄養豊富な環境での肉食の存在には進化上の利点がないという事実によるものです。
夕暮れ時の方向転換
新しい肉食動物は定期的に発見されており、それらとともに種がどのように共存するのかについての驚くべき秘密が発見されています。グライフスヴァルト大学のマイケル・シェーナー氏は、「遠くまで飛んで超音波を使って方向を定めるコウモリが、どのようにしてジャングルの暗闇の中で目立たない希少な食虫植物をどのように見つけ出すのかは、長い間不明であった」と語る。彼は同僚たちと協力して、「水差しの後壁にはコウモリが非常に強く、紛れもない叫び声を上げたときに発する音を反射できる構造があることを発見した。そして彼のプロジェクトパートナーであるロンドン大学のラルフ・サイモン」と語った。エアランゲン・ニュルンベルク教授は、「このようなコウモリのドッキング機構は中米の植物でも発見されている。このことは、うまく機能するものはしばしば互いに独立して開発されることを示している」と付け加えた。
ピッチャー植物には、コウモリや昆虫を引き寄せるさらに多くのトリックがあります。これは、ウツボカズラのヘムスレヤナが、日中端の下の水差しに頭を下げて寝るゲストの到着に備える方法です。これを安全に可能にするために、植物は消化液のレベルを下げます。これは、新参者のためにチャンバー内の水を上下に調整する錠に似ています。また、いくつかの種類のピッチャー植物も、植物が通常花で生成する蜜を生成しますが、主にピッチャーの蓋と端で生成されます。印象的：甘い果汁がブラックライトで紫色に輝きます。これはおそらく、多くの植物の代謝において中心的な役割を果たす多数の植物色素から構成される分子であるフラボノイドによって引き起こされると考えられます。本当にこの輝きが動物たちを惹きつけるのでしょうか？植物が薄明かりの中でコウモリを誘導する手段を解明するための実験が現在も続けられている。
