กลไกทางพฤกษศาสตร์อันชาญฉลาดช่วยให้พืชพุ่ง หัก และแตกออก
ที่ไหนสักแห่งในพื้นที่ชุ่มน้ำของเซาท์แคโรไลนา เว็บสล็อต มีแมลงวันบินว่อนอยู่บนพื้นสีชมพูอมชมพู ขณะที่แมลงวันสำรวจทิวทัศน์อันแปลกประหลาด มันจะหวีผมเส้นเล็กๆ ที่ยื่นออกมาราวกับดาบเรียวโดยไม่รู้ตัว เมื่อเดินไปมา แมลงวันก็กินหญ้าอีกเส้นโดยไม่ได้ตั้งใจ ทันใดนั้น ผิวสีชมพูก็เข้ามาใกล้จากทั้งสองข้าง ปิดตัวลงเหมือนขากรรไกรที่หิวโหย ความพร่ามัวของการเคลื่อนไหวเป็นเวลาเพียงหนึ่งในสิบของวินาที แต่แมลงวันติดอยู่ตลอดไป
Joan Edwards นักพฤกษศาสตร์จากวิทยาลัยวิลเลียมส์ในเมืองวิลเลียมส์ทาวน์ รัฐแมสซาชูเซตส์ กล่าวว่า “เราไม่คิดว่าพืชจะเคลื่อนไหวเลย แต่พวกมันสามารถเคลื่อนที่ได้เร็วมากจนคุณไม่สามารถจับได้ด้วยตาเปล่า”
เรามักจะนึกภาพพืชว่าเป็นสิ่งมีชีวิตที่อยู่กับที่จนตาย เพื่ออธิบายสิ่งที่น่าเบื่อ เราพูดว่า “เหมือนดูหญ้าเติบโต” แต่นี่เป็นมุมมองที่ล้าสมัยของชีวิตพืช
พืชทุกชนิดเติบโตในรูปแบบการเคลื่อนไหวค่อนข้างช้า แต่พืชจำนวนมากสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็วเช่นกัน กรามหักของแมลงวันวีนัส ( Dionaea muscipula ) เป็นตัวอย่างที่มีชื่อเสียงที่สุด แต่ยังห่างไกลจากสิ่งเดียวเท่านั้น โลกแห่งพฤกษศาสตร์นำเสนอผลงานที่น่าประทับใจมากมายไม่แพ้กัน ต้นกระบองเพชรระเบิด ( Hura crepitans ) หรือที่รู้จักในชื่อต้นไดนาไมต์ สามารถปล่อยเมล็ดพืชได้ไกลพอที่จะข้ามสระว่ายน้ำขนาดโอลิมปิก หยาดน้ำค้าง (สกุลDrosera ) มีกิ่งก้านที่ม้วนตัวอยู่รอบๆ เหยื่อ และสัมผัสมีนอท ( Mimosa pudica ) จะพับเก็บภายในไม่กี่วินาทีหลังจากสัมผัส
“พืชได้พัฒนาวิธีการและกลไกการเคลื่อนไหวที่แตกต่างกันออกไป” เอ็ดเวิร์ดส์กล่าว ความหลากหลายนี้ส่งผลให้พืชมีความเร็วในวงกว้าง ตั้งแต่การคลาน (1 มิลลิเมตรต่อชั่วโมง) ไปจนถึงการระเบิดของเมล็ด (หลายสิบเมตรต่อวินาที)
การเคลื่อนไหวของพืชที่มีพลวัตมากที่สุดทำให้นักวิจัยหลงใหลมานาน
ชาร์ลส์ ดาร์วิน หลงใหลในความรวดเร็วและทรงพลังของ Flytrap ของ Venus จึงเรียกพืชชนิดนี้ว่า “หนึ่งในพืชที่วิเศษที่สุดในโลก” เขาทำการทดลองที่เน้นกับดักแมลงวันทุกรูปแบบ ดังที่อธิบายไว้ในหนังสือของเขาในปี 1875 พืชกินแมลง ดาร์วินใช้เหยื่อล่อพืชด้วยเนื้อดิบ แหย่พวกมันด้วยวัตถุที่ละเอียดพอๆ กับเส้นผมของมนุษย์ และแม้กระทั่งทดสอบว่ากับดักของพืชมีปฏิกิริยาอย่างไรต่อหยดคลอโรฟอร์ม แม้ว่าดาร์วินจะไม่ได้ไขความลับของกับดักแมลงวันอย่างเต็มที่ แต่เขาเข้าใจว่าความเร็วของมันเกี่ยวข้องกับรูปทรงของใบไม้
การวิจัยสมัยใหม่เกี่ยวกับการเคลื่อนไหวของพืชอย่างรวดเร็วมีความแม่นยำที่ดาร์วินจะอิจฉา กว่าทศวรรษที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์เริ่มใช้กล้องดิจิตอลความเร็วสูงและการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อให้ได้มุมมองใหม่เกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของโรงงาน การวิเคราะห์แบบเฟรมต่อเฟรมพร้อมกับความละเอียดที่ปรับปรุงแล้ว ในที่สุดก็ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับกลไกที่ทำให้พืชมีความเร็ว
ล่าสุด หลักฐานชี้ให้เห็นถึงกลไกต่างๆ เหล่านี้ที่น่าตกใจ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ค้นพบอุปกรณ์ที่เตะเหมือนนักฟุตบอล ขว้างเหมือนผู้เล่นลาครอส หรือแม้แต่สร้างความร้อนเพื่อปล่อยเมล็ดพืชที่ระเบิดออกมา
เกือบ 150 ปีหลังจากงานของดาร์วิน แรงผลักดันสำหรับการวิจัยดังกล่าวยังคงเหมือนเดิม นั่นคือความหลงใหลในการเคลื่อนไหวของพืช
เคลื่อนไหวโดยไม่มีกล้ามเนื้อ
Yoel Forterre เป็น postdoc ที่ Harvard University ในช่วงต้นทศวรรษ 2000 เมื่อที่ปรึกษาของเขาได้รับ Flytrap Venus เป็นของขวัญ ไม่เคยเห็นพืชชนิดนี้มาก่อน Forterre รู้สึกทึ่งกับความสามารถในการเคลื่อนไหวโดยไม่มีกล้ามเนื้อ ในไม่ช้าเขาก็ตระหนักว่าการเคลื่อนไหวนั้นสามารถเข้าใจได้ผ่านเลนส์ของความเชี่ยวชาญพิเศษของเขา: ฟิสิกส์ของสสารอ่อน สาขาวิชาที่เกี่ยวข้องกับกลไกของวัสดุที่เปลี่ยนรูปได้ เช่น ของเหลว โฟม และเนื้อเยื่อชีวภาพบางชนิด
Forterre ตีพิมพ์ผลการศึกษาในปี 2548 ในNatureซึ่งเป็นกลุ่มแรกที่ใช้กล้องความเร็วสูงและการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์เพื่อศึกษากลไกการเคลื่อนที่ของพืชอย่างรวดเร็ว ( SN: 1/29/05, p. 69 )
“การเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่คือกล้องดิจิทัลความเร็วสูง” Dwight Whitaker นักฟิสิกส์เชิงทดลองที่ Pomona College ในแคลร์มอนต์ รัฐแคลิฟอร์เนีย กล่าว ในช่วงเวลานี้ กล้องกำลังเข้าสู่ห้องปฏิบัติการทางวิชาการ “ด้วยฟิล์ม คุณจะได้รับโอกาสเดียว” เขากล่าว ทุกอย่างต้องถูกจัดเตรียมไว้ล่วงหน้า “นั่นคือเหตุผลที่ผู้กำกับต้องบอกว่า ‘ไฟ กล้อง แอคชั่น!’ เพื่อให้.”
ด้วยเทคโนโลยีใหม่ Forterre และเพื่อนร่วมงานสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงที่น้อยที่สุดในความโค้งของใบแมลงวัน ซึ่งหันเข้าหากันราวกับหนังสือสองส่วน สิ่งนี้ทำให้ทีมเห็นว่าความเร็วของโรงงานขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตพิเศษของใบไม้เหล่านั้นอย่างไร เมื่อกับดักถูกกระตุ้นโดยแมลงวันหรือเหยื่อที่เอาแต่ใจ เซลล์บนพื้นผิวด้านนอกสีเขียวของใบไม้จะขยายตัวในขณะที่พื้นผิวด้านในสีชมพูไม่ขยายตัว สิ่งนี้สร้างความตึงเครียดเมื่อพื้นผิวด้านนอกดันเข้าด้านใน ในที่สุด แรงกดจะมากเกินไป และใบไม้ซึ่งเดิมมีรูปร่างนูน พลิกกลับเป็นเว้าอย่างรวดเร็ว กระแทกกับดักปิดในกระบวนการที่เรียกว่าการโก่งงอ เว็บสล็อต
