Horrible Prison 2: Wie man eine Fliegenfalle kitzelt und nicht gegessen wird

Die Evolution hat uns viele ungewöhnliche Tiere gegeben. Einige von ihnen sind so ungewöhnlich, dass ihre Entdecker Gauner genannt wurden (wie es 1797 bei den Schnabeltieren der Fall war). Aber nicht nur die Fauna kann sich mit nicht standardmäßigen Arten rühmen, unter den Vertretern der Flora gibt es auch weiße Krähen, nämlich Pflanzen, die sich nicht sonnig ernähren wollen, sondern saftige Insekten und andere Kleintiere als Tagesgericht bevorzugen. Bereits zuvor haben wir eine Studie kennengelernt, in der Wissenschaftler die Venusfliegenfalle und ihre Randdornen untersuchten.... Heute müssen wir herausfinden, wie empfindlich diese Dornen sind. Wissenschaftler der Universität Zürich (Schweiz) führten eine Reihe praktischer Experimente durch, mit denen die Geschwindigkeit der Reaktion der Venusfliegenfalle auf die Berührung einer bestimmten Kraft gemessen werden sollte. Wie genau haben die Wissenschaftler den Fliegenfänger gekitzelt, wie schnell hat er reagiert und wie erklären diese Ergebnisse die gastronomischen Vorlieben der Raubpflanze? Antworten auf diese Fragen finden wir im Bericht der Wissenschaftler. Gehen.

Forschungsgrundlage

Um diese Erzählung nicht zu verlängern, ist die Beschreibung der Venusfliegenfalle (die bereits im vorherigen Artikel verwendet wurde) unter dem Spoiler versteckt:





Die Hauptidee des Mechanismus zum Auslösen der Falle der Venusfliegenfalle besteht darin, dass die zukünftige Beute innerhalb von 30 Sekunden zwei Berührungen an den empfindlichen Haaren der Pflanze vornehmen muss. Jede Berührung erzeugt ein Aktionspotential *, das zum Schließen der Falle erforderlich ist. Wissenschaftler glauben das seit 200 Jahren, aber stimmt die Theorie mit der Praxis überein?



Im Laufe der Jahre der Forschung haben Wissenschaftler ein Szenario von Ereignissen abgeleitet, die sich (theoretisch) während der Jagd eines Fliegenfängers entfalten sollten:

• Eine hungrige Pflanze zieht Insekten an, indem sie flüchtige Verbindungen absondert.
• Nicht sehr versiertes Insekt erforscht die Pflanze (in der Hoffnung auf freie Nahrung), wobei es eines der sechs empfindlichen Haare berührt und dadurch ein Aktionspotential verursacht (AP vom Aktionspotential).
• 30 , «It’s a trap!», , ;
• (, ), (C₁₂H₁₈O₃) .

Infolgedessen verwandeln sich die zuvor geöffneten "Blütenblätter" des Fliegenfängers in eine Art Magen, in dem erfolglose Beute verdaut wird.



In dieser Arbeit beschlossen die Wissenschaftler, den Prozess der Umwandlung der mechanischen Stimulation empfindlicher Haare in ein elektrisches Signal im Detail zu betrachten. Wir wissen sicher, dass das Berühren empfindlicher Haare mechanosensitive Ionenkanäle öffnet, aber wir konnten diese Kanäle noch nicht identifizieren.



Während diese mutmaßlichen Kanäle offen sind, steigt das Rezeptorpotential * (RP vom Rezeptorpotential ) an, und wenn die Ablenkung des Haares groß genug ist, erreicht RP einen Schwellenwert, über dem sich AP manifestiert.

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Bild 1



Früher gab es Versuche, mechanische Reize und die Erzeugung von Aktionspotentialen zu verknüpfen, aber es gab keine geeigneten Instrumente für genaue Messungen. Im Fall der Studie, die wir heute überprüfen, verwendeten die Wissenschaftler einen MEMS * -basierten Kraftsensor, der an einem mikrorobotischen System angebracht ist, um die Geschwindigkeit und Amplitude der Auslenkung genau zu steuern und gleichzeitig die ausgeübte Kraft ( 1A und 1B ) zu messen .

MEMS * (mikroelektromechanische Systeme) sind Geräte, die mikroelektronische und mikromechanische Komponenten kombinieren.

Bild 2



Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler den Parameterbereich genau bestimmen, in dem die Ablenkung der Haare zum Schließen der Falle führt, während der zweite Kraftsensor die erzeugte Momentankraft maß (Bild oben).

Forschungsergebnisse

Während der Experimente berücksichtigten die Wissenschaftler, dass Spinnen, Fliegen und Ameisen (häufige Beute für einen Fliegenfänger) dazu führen, dass empfindliche Haare ziemlich schnell abgelenkt werden. Folglich wurde das mikrorobotische System mit voller Geschwindigkeit eingesetzt, um diese Reize nachzuahmen. Dies führte zu einer hohen anfänglichen Winkelgeschwindigkeit im Bereich von 10 bis 20 rad / s.



Frühere Studien haben gezeigt, dass Ameisen empfindliches Haar mit einer Winkelgeschwindigkeit von 0,25 - 7,8 rad / s ablenken, jedoch langsamer als Fliegen. Daher sind die verwendeten Parameter höher als die realen, was sich gut zur Beurteilung der Fähigkeiten der Venusfliegenfalle eignet.



Bei diesen hohen Geschwindigkeiten ist die Dauer der Ablenkung signifikant kürzer als bei anderen zeitabhängigen Faktoren wie RP-Zerfall und sensorischer Haarentspannung (1F ).



Die Berücksichtigung der Winkel- und nicht der linearen Abweichung ermöglichte es, die Unterschiede in der Höhe des Kontakts der sensorischen Sonde relativ zum Ort der Verengung des sensorischen Haares sowie die Unterschiede in Bezug auf verschiedene Geometrien des sensorischen Haares ( 1B , 2C und 2D ) zu korrigieren . Daher kann eine Auslenkung durch eine diskrete Zunahme des Winkelversatzes angenähert werden, und die AP-Triggerung hängt hauptsächlich von der Größe des Winkelversatzes ab.



Eine Ablenkung wurde als eine Kombination von Vorwärts-Rückwärts-Winkelverschiebung definiert, ähnlich wie sie auftritt, wenn eine Beute ein Haar berührt. Jede Messung bestand aus zwei aufeinanderfolgenden Ablenkungen mit einem Intervall von 1 s zwischen ihnen bis zu einer gegebenen Winkelverschiebung & thgr;. Wenn sich die Falle nicht schloss, folgte eine Wartephase (2 Minuten), um sicherzustellen, dass der RP vollständig zurückgesetzt wurde. Das Warten von genau zwei Minuten und nicht mehr / weniger ist darauf zurückzuführen, dass eine Reihe früherer Experimente gezeigt hat, dass bei Temperaturen unter 30 ° C zwei Ablenkungen des Haares innerhalb von 30 bis 40 Sekunden erforderlich sind, um die Falle schnell und vollständig zu schließen.



Nach der Wartephase wurde der Vorgang mit zunehmenden Winkelverschiebungen wiederholt, bis der Mechanismus zum Schließen der Falle ausgelöst wurde ( 1C und 1D)). Dies trat auf, wenn die durchschnittliche Verschiebungsschwelle & thgr; = 0,18 rad oder die durchschnittliche Drehmomentschwelle & tgr; = 0,8 & mgr; N · m (n = 21) erreicht wurde.



Wissenschaftler stellen fest, dass das Schließen der Falle niemals aufgezeichnet wurde, wenn θ unter 0,12 rad und τ unter 0,50 μN · m ( 1E ) lag. Daher sind diese Indikatoren die Untergrenze der Winkelabweichung, die erforderlich ist, um das Schließen der Falle unter den Bedingungen dieses Experiments auszulösen. Es konnte auch festgestellt werden, dass das Insekt eine Kraft (F) von 0,5 mN nahe den Haarspitzen oder 5 mN nahe der Basis ausüben muss, damit die Falle funktioniert.



AP-Messungen stellten eine Verbindung zwischen sensorischer Haarablenkung und Verschluss der Falle her. Wenn zwei aufeinanderfolgende Abweichungen deutlich unter der Vorspannungsschwelle lagen (θ << 0,12 rad), wurde kein AP beobachtet. Für Ablenkungsamplituden nahe der Verschiebungsschwelle (θ <0,12 rad) wurde nach der zweiten Ablenkung ein einzelner AP erfasst.



Dies zeigte an, dass beide Haarauslenkungen zur RP beitrugen und dass die AP-Induktionsschwelle erst bei der zweiten Auslenkung erreicht wurde. Wie erwartet reichte ein einziger AP nicht aus, um die Falle auszulösen.



Die Annahme, dass jede Berührung AP auslöst, ist nur gültig, wenn die Ablenkung der sensorischen Haare die Verschiebungsschwelle überschreitet. Wenn ja, wurden zwei APs (einer für jede Haarauslenkung) erzeugt und verursachten das Schließen der Falle ( 1C ).





Doppelte Ablenkung empfindlicher Haare, was zu zwei APs und einem Verschluss der Falle führt.



Diese Ergebnisse legen nahe, dass eine schnelle Ablenkung empfindlicher Haare die RP auf ein bestimmtes Niveau erhöht, das von der Amplitude der Winkelablenkung abhängt. RPs können AP stapeln und nach mehreren Ablenkungen beschwören, wenn sie unter der Ablenkungsschwelle liegen. Die Erzeugung eines AP pro Berührung erfolgt jedoch nur, wenn die Ablenkung der empfindlichen Haare über der Ablenkungsschwelle liegt.



Mit anderen Worten, ein Aktionspotential wird nur dann erzeugt, wenn das empfindliche Haar ausreichend „gestört“ wurde. Ein einmaliges Aktionspotential reicht jedoch nicht aus, um das Schließen der Falle auszulösen. Dies passt gut zu der Theorie, dass Fliegenfänger keine Energie verschwenden, wenn die Falle jedes Mal geschlossen wird, wenn etwas oder jemand ihre Haare berührt. Andernfalls kann es viele Leerlauffallen ohne Energierückgabe (d. H. Nährstoffrückgabe) geben (die Beute konnte entkommen, die Beute war zu klein oder es war überhaupt keine Beute, sondern Müll).



Angesichts der Tatsache, dass der Anstieg der RP mit mehreren Abweichungen additiv ist, wäre es logisch anzunehmen, dass eine anhaltende (langfristige) Verschiebung eines Haares einen ähnlichen Effekt haben kann.



Um diese Hypothese zu testen, lehnten die Wissenschaftler das empfindliche Haar des Fliegenfängers über die Winkelverschiebungsschwelle hinaus ab und verriegelten es 30 Sekunden lang in dieser Position ( 1F ). Dies löste jedoch keine Fallen aus.



Die anfängliche Verschiebung verursachte einen einzelnen AP, wonach die Spannung schnell zur Grundlinie zurückkehrte, obwohl die Haare abgelenkt blieben.



Wenn die anhaltende Verzerrung zur RP beitragen soll, muss sie über dem Schwellenwert bleiben. In diesem Fall wurde eine AP-Serie erwartet. Zusätzliche Analysen haben gezeigt, dass eine Winkelfehlausrichtung eine wichtige Rolle bei der RP spielt, die statische Haarablenkung jedoch in keiner Weise dazu beiträgt.



Es ist merkwürdig, dass in früheren Experimenten die Situation anders war: Eine einzige Verschiebung der Haare führte zum Schließen der Falle. Dies war jedoch keine integrale Einzelverschiebung, sondern viele kleine Verschiebungen, da die Schwingungen, die mit einer manuellen Ablenkung eines Haares einhergehen, wahrscheinlich größer als die Winkelverschiebungsschwelle sind.



Die nächste Phase der Studie bestand darin, ein Modell für den elektromechanischen Ladungsaufbau (EZB ) zu erstellen , das überraschenderweise das Schließen von Fallen mit einer einzigen Berührung vorhersagt.



Basierend auf den während der Experimente erhaltenen Daten entwickelten die Wissenschaftler ein einfaches Modell, um die Grenzen der Winkelverschiebung und Geschwindigkeit zu untersuchen, innerhalb derer die Fallen reagieren werden.



Im EZB-Modell führt die mechanische Ablenkung zu einer Ladungsakkumulation RP als Funktion der Winkelgeschwindigkeit ω und der Verschiebung θ, während Ladungen kontinuierlich abgeführt werden. Wenn die akkumulierten Ladungen einen bestimmten Schwellenwert Q ^th _RP überschreiten , tritt ein AP auf. Zusätzlich wurde eine Refraktärperiode t _RP implementiert , die das Zeitintervall darstellt, das erforderlich ist, damit ein anderer AP aktiviert wird.



Infolgedessen sagte das Modell voraus, dass bei zu schnellen und / oder zu kleinen Abweichungen möglicherweise mehr als zwei solcher Abweichungen erforderlich sind, um das Schließen der Falle zu bewirken (roter Bereich bei 3A ).





Bild 3



Dies liegt an der Tatsache, dass eine Abweichung nicht ausreicht, um AP ( 3B) zu aktivieren), wie durch praktische Experimente gezeigt ( 1C , Mitte).



In ähnlicher Weise zeigte das Modell, dass sehr niedrige Winkelgeschwindigkeiten (ω <0,04 rad / s) RP nicht füllen können.



Das unerwartetste Ergebnis der Simulation war jedoch die Vorhersage des Bereichs der mittleren Winkelgeschwindigkeiten (0,04 rad / s <ω <10 rad / s), bei dem eine Ablenkung ausreicht, um zwei oder mehr APs zu aktivieren, die zum Schließen der Falle erforderlich sind ( 3B ).



Eine solche Vorhersage widerspricht jedoch der Vorstellung, wie der Mechanismus der Venusfliegenfalle funktioniert. Daher beschlossen die Wissenschaftler zu prüfen, ob diese Modellsituation in der Praxis realisierbar ist.





Eine einzelne Ablenkung empfindlicher Haare führt zum Schließen der Falle.



Überraschenderweise trat das Schließen der Falle tatsächlich mit einer einzigen Ablenkung der Haare auf, wenn die Winkelgeschwindigkeiten niedrig genug waren.



Um den Wertebereich einzugrenzen, in dem dies auftritt, haben Wissenschaftler wiederholt dieselben sensorischen Haare mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten abgelenkt, bis sich die Falle schloss. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ablenkungen lag eine Pause von 2 Minuten, bis sich die Falle erholte und die RP erschöpft war.



Die untere Grenze der Winkelgeschwindigkeit ω, die erforderlich ist, um die Falle bei einer Auslenkung zu schließen, wurde durch allmähliches Erhöhen der Winkelgeschwindigkeit nach jeder Auslenkung bestimmt (n = 17). Die Anfangsgeschwindigkeit lag unter 0,009 rad / s, da die Falle bei dieser Geschwindigkeit nie geschlossen wurde.





Bild Nr. 4



Nachfolgende Ablenkungen einzelner Haare wurden mit einer allmählichen Erhöhung der Geschwindigkeit durchgeführt, bis die Falle ausgelöst wurde ( 4A ).



Die Obergrenze wurde auf ähnliche Weise bestimmt, beginnend mit einer Geschwindigkeit von ω> 3 rad / s, gefolgt von einer schrittweisen Abnahme (n = 9).



Zusätzlich wurde eine weitere Reihe von Experimenten mit einer Auslenkung (n = 5) durchgeführt, bei denen die Geschwindigkeit der Kraftsonde konstant gehalten wurde, was zu einer mittleren Winkelgeschwindigkeit zwischen 0,2 und 0,4 rad / s führte, während die Winkelverschiebung & thgr; während allmählich anstieg die Zeit nachfolgender Ablenkungen, um die untere Grenze & thgr; zu erhalten, die erforderlich ist, damit die Falle unter Bedingungen einer einzelnen Ablenkung von Haaren arbeitet.



Alle einzelnen Ablenkungen, die zum Schließen der Falle führten, identifizierten zusammen mit früheren Stimuli, für die kein Schließen der Falle auftrat, den Bereich, in dem eine einzelne Ablenkung das Schließen verursacht ( 4B ).



Eine einzelne Auslenkung kann dazu führen, dass sich die Falle bei mittleren Winkelauslenkungsgeschwindigkeiten schließt (0,03 rad / s ≤ ω ≤ 4 rad / s). Eine Durchbiegung allein bei niedrigeren oder höheren Geschwindigkeiten reicht jedoch nicht aus.



Experimente, bei denen die Durchbiegungsrate der Haare eher gering war, zeigten, dass die Falle sowohl ausgelöst wurde, wenn sich der Sensor der Haarbasis näherte, als auch wenn sich der Sensor von dieser weg bewegte.





Eine einzelne Ablenkung empfindlicher Haare führt zu zwei APs während des anfänglichen Biegens, was zum Schließen der Falle führt.



Wenn die Falle während der Annäherung der Sonde geschlossen wurde, wurden zwei aufeinanderfolgende Aktionspotentiale ( 4C ) während der Ablenkung der Haare beobachtet . Wenn die Falle während des Entfernens der Sonde geschlossen wurde, erschien ein AP im Moment der Ablenkung des Haares und der zweite nach dem Entfernen der Sonde, als das Haar in seine ursprüngliche Position zurückkehrte ( 4D ). In beiden Fällen führte der zweite AR zum sofortigen Schließen der Falle.



Abschließend beschlossen die Wissenschaftler, die Schließkraft der Falle ( 5A ) zu messen .





Bild Nr. 5



Für die 48-Falle betrug der Durchschnittswert der Greifkraft F _nahe 73 mN ( 5 V)) und der Wertebereich lag zwischen 18 und 174 mN.



Diese Werte sind niedriger als die zuvor veröffentlichten (140-150 mN). Hierfür gibt es eine Erklärung: In diesem Fall wurde die Kraft zu Beginn des Schließens der Falle gemessen, und in früheren Beobachtungen wurde die Kraft gemessen, die am Ende des Schließens auf die Kanten der Blattventile der Falle wirkt.



Da die gemessene Kraft stark von der Position des Wandlers sowie von der Ausrichtung und Größe des Blechs abhängt, ist das Schließmoment τ _nahe der Blechmitte mit einem Durchschnittswert von 0,65 mN m der beste Wert zur Beschreibung der Schließkraft der Falle ( 5C ). Die Verzögerungszeit, dh die Zeit zwischen dem mechanischen Reiz und dem Beginn des Schließens der Falle, betrug 0,6 ± 0,3 s.



Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen der Studie empfehle ich Ihnen, sich diese anzuschauenBericht von Wissenschaftlern .

Epilog

Die Venusfliegenfalle läuft nicht wie ein Gepard, hat kein tödliches Gift wie eine Kobra und hört ihre Beute sicherlich nicht wie eine Eule. Aber diese Pflanze ist in der Tat einer der besten Fleischfresser der Welt, da ihr Jagdmechanismus wie eine Uhr funktioniert.



In dieser Arbeit konnten Wissenschaftler bestimmen, wie diese oder jene Parameter aussehen sollen, damit die Falle funktioniert. Wie sich in den meisten Fällen herausstellte, muss das Opfer zwei aufeinanderfolgende Fehler machen, um die Falle auszulösen: Berühren Sie zuerst das sensorische Haar der Fliegenfalle; Das zweite ist, es noch einmal zu tun.



Die wiederholte Abweichung des Haares von seiner Ausgangsposition führt zur Erzeugung eines zweiten Aktionspotentials, das den Prozess des Schließens der Falle startet. Trotzdem hat die Simulation gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen eine Berührung ausreichen kann, aber in Wirklichkeit ist dies höchstwahrscheinlich unwahrscheinlich.



Mit anderen Worten, kann die Venusfliegenfalle als Mückenjäger dienen? Nein, denn diese Blutsauger sind sehr klein und zu flink. Aber der Fliegenfänger bereut keine Fliegen oder Schnecken.



Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein tolles Wochenende Jungs! :) :)

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