致命的轮廓：肉食性猪笼草的几何形状决定了捕获猎物的类型

牛津植物园中生长的猪笼草。图片来源：克里斯·索罗古德。

植物学家克里斯·索罗古德博士在牛津植物园与猪笼草。图片来源：克里斯·索罗古德。

　　牛津大学植物园和数学研究所的研究人员表明，肉食性猪笼草的形状、大小和几何形状决定了它们捕获的猎物类型。研究结果今天发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。

　　猪笼草(猪笼草属)是热带地区(尤其是东南亚)发现的一种食肉植物。它们的名字是指它们为捕获动物猎物(通常是昆虫)而产生的中空杯状结构。猪笼草的形状和大小多种多样，从管状到杯状，有些甚至长有刺状的“牙齿”，但为什么它们的差异如此显着仍然是个谜。

　　“大约二十年前，我第一次在东南亚的野外遇到这些非凡的植物，”植物学家兼牛津植物园副主任克里斯·索罗古德博士回忆道。“我记得我想知道：它们如何以及为何差异如此之大?帮助解决这个谜团确实令人兴奋。”

　　猪笼草捕获猎物的机制众所周知：每个猪笼草的顶部都有一个光滑的边缘，称为唇，覆盖有脊，可以收集一层水膜。这会导致猎物打滑并落入捕虫笼底部的消化液池中，类似于汽车在水上打滑。

植物学家克里斯·索罗古德博士在牛津植物园与猪笼草。图片来源：克里斯·索罗古德。

　　尽管这个过程对于所有猪笼草来说都很常见，但边缘的形状范围从简单的圆柱体到高度华丽的凹槽或齿状结构。边缘越豪华，生产成本就越高：那么为什么不是所有的猪笼草都只生产一个简单的结构呢?

　　为了解决这个问题，研究小组将数学模型应用于植物园种植的猪笼草，看看边缘的形状对猎物捕获有何影响。形状被分为自然界中存在的四组，并且可以使用数学重建轻松进行比较。使用“点质量”(相当于昆虫滑入陷阱)来测量每种形状的假设捕获效率。然后通过检查不同结构的相对面积和陡度来计算生产轮辋的能量成本。

　　牛津大学数学研究所应用数学教授德里克·莫尔顿 (Derek Moulton) 解释说：“数学重建使我们能够探索自然界中这些植物中存在的权衡。对于植物来说，生产大的、向外展开的边缘成本很高。通过模拟无论是现实的唇口还是极端的唇口(自然界中不存在的几何形状)，我们都能够证明，在最佳结构中，生产成本可能会被捕获的额外猎物所抵消。”

　　“关于陷阱大小也存在类似的情况，”牛津大学数学研究所博士后研究员 Hadrien Oliveri 博士补充道。“我们可能期望边缘的大小与特定栖息地最常见的猎物相关——例如蚂蚁或甲虫。”

猪笼草属猪笼草。图片来源：克里斯·索罗古德。

猪笼草陷阱的致命边缘。图片来源：克里斯·索罗古德。

　　为了研究陷阱尺寸的影响，该团队开发了一个数学模型，将猪笼草边缘的 3D 几何形状与捕获猎物的物理力学联系起来。该模型结合了边缘的几何特征(包括宽度、张开程度和方向)以及放置在不同点的猎物的稳定性和滑动方向。

　　结果表明，唇几何形状的变化对植物的捕食能力有着深远的影响。例如，高度张开的唇口的几何形状似乎特别适合捕捉蚂蚁等行走的昆虫。

　　自然界中的猪笼草存在于缺氮环境中，例如山坡、沼泽和热带森林。这意味着它们从捕获的昆虫中捕获氮的能力使它们比非肉食植物更具优势。这些栖息地中的每一个都有独特的潜在猎物组合，这增加了猪笼草进化出各种陷阱以捕捉特定地点的各种类型的昆虫的可能性。

　　索罗古德博士解释说：“就像鸟类的喙形状不同，以坚果、种子或昆虫等为食一样，这些猪笼草也能很好地适应环境中存在的不同形式的猎物。”

　　但是，尽管这些“绿色掠食者”广受欢迎，但在野外研究它们可能很困难。因此，数学方法可以成为揭示这些植物好奇心的有效方法。

　　“在自然环境中观察这些植物当然是了解它们的最佳方式。但这些植物中有许多生长在偏远、荒凉的地方，因此在自然界中研究它们可能具有挑战性，”索罗古德博士说。

　　数学研究所数学建模教授阿兰·戈里利 (Alain Goriely) 表示：“合作对于数学家和生物学家来说是一种强有力的方式，可以帮助他们了解这些非凡生物体如何以及为何进化，并提出新的假设。”“数学建模使我们能够测试它们。”

　　该团队计划继续研究猪笼草和植物园(供科学家探索的活图书馆)种植的其他植物。