Darwin myślał, że ma mięśnie. 150 lat później wiemy, jak działa pułapka muchołówki

Liście zmieniające się w błyskawiczne szczęki. Roślina polująca szybciej, niż oko zdoła to zarejestrować. Przez ponad sto lat mechanizm napędzający pułapkę muchołówki amerykańskiej pozostawał zagadką — sam Karol Darwin podejrzewał istnienie czegoś na kształt mięśni. Dziś wiemy już, że natura wymyśliła znacznie bardziej wyrafinowany napęd.

Zagadka godna Darwina

→ Czytaj też: Dlaczego emoji kupy wygląda właśnie tak? Fizyka rozwiązała zagadkę, która męczyła Darwina

Kiedy angielski przyrodnik po raz pierwszy obserwował muchołówkę (Dionaea muscipula), był przekonany o istnieniu zwierzęcego odpowiednika tkanki mięśniowej w jej liściach. „Kiedy Darwin zobaczył, jak szybko poruszają się te rośliny, był przekonany, że roślina ma w środku mięśnie. Ale rośliny nie mają mięśni ani nerwów” — mówi Yoël Forterre, fizyk z Francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych, w rozmowie z dziennikiem Guardian. Przez dziesięciolecia hipotez nie brakowało, jednak nikt nie potrafił wskazać winowajcy odpowiedzialnego za zatrzaskiwanie się pułapki w czasie poniżej jednej sekundy.

Muchołówki, występujące naturalnie tylko na bagnistych terenach Karoliny Północnej i Południowej, wciąż prowadzą fotosyntezę jak zwykłe rośliny. Owady trawią wyłącznie po to, by zdobyć azot i fosfor z ubogich gleb. Gdy ofiara zahaczy o włoski czuciowe na wewnętrznej stronie liścia, roślina nie ma czasu do stracenia — musi działać, zanim owad się zorientuje.

Woda to za mało

→ Czytaj też: Skręcasz w lewo? Badania pokazały, że robi tak większość z nas. I nie wiadomo czemu

Jedna z wiodących teorii zakładała, że za gwałtowny ruch odpowiada transport wody do komórek zewnętrznej warstwy liścia. Komórki miałyby pęcznieć, co wymuszałoby zamknięcie pułapki. Zespół Forterre’a postanowił to sprawdzić, wykorzystując przypominającą igłę sondę ciśnieniową. Wynik okazał się druzgocący dla tej koncepcji — wnikanie wody do komórek epidermy zajmuje od 30 do nawet 150 sekund. To stanowczo za wolno, by wytłumaczyć ruch trwający ułamki sekund.

Badacze skupili się więc na właściwościach mechanicznych samych ścian komórkowych. Część pułapek unieruchomiono w otwartej pozycji za pomocą kleju, w innych wycięto otwory, by uzyskać lepszy widok na tkanki. Następnie mierzono sztywność komórek przed drażnieniem włosków czuciowych i po nim. „Nasza hipoteza zakłada, że pułapka jest mechanicznie napięta jeszcze przed pobudzeniem, niczym sprężyna” — tłumaczy Forterre w wypowiedzi dla agencji Reutera.

Ściany, które zmieniają sztywność

Ten właśnie eksperyment dostarczył przełomowej odpowiedzi. Badanie opublikowane 11 czerwca w czasopiśmie Science wykazało, że w momencie pobudzenia ściany komórkowe zewnętrznej warstwy liścia gwałtownie miękną — ich sztywność spada o mniej więcej 30 do 40 procent. To uwalnia wewnętrzne naprężenia zgromadzone w tkankach i wypycha liść w dół, zamykając pułapkę jak sprężynę, z której zwolniono blokadę.

Muchołówka nie potrzebuje zatem aktywnie generować siły w ułamku sekundy — jedynie uwalnia energię zmagazynowaną wcześniej. Taki pasywny mechanizm jest znacznie szybszy niż jakikolwiek proces wymagający transportu wody czy aktywnego skurczu. „To zdumiewające, że roślinne ściany komórkowe potrafią tak błyskawicznie dostrajać swoje właściwości mechaniczne” — dodaje Forterre.

Obietnica dla miękkiej robotyki i głosy sceptyków

Nowe ustalenia wykraczają poza czystą botanikę. Simon Poppinga, dyrektor ogrodu botanicznego na Politechnice w Darmstadt, niezaangażowany w badania, ocenia je w komentarzu dla Nature jako „zapierające dech” i „bardzo eleganckie”. Wskazuje, że odkryty mechanizm zmiany sztywności może zainspirować konstrukcje miękkich robotów, które poruszają się nie za pomocą silników, lecz poprzez kontrolowane uwalnianie napięć w materiale. To zupełnie nowa filozofia projektowania chwytaków i manipulatorów.

Nauka rzadko bywa jednak jednomyślna. Sergey Shabala, fizjolog roślin z University of Western Australia, podważa wnioski francuskiego zespołu. Jego zdaniem badacze nie uwzględnili innego, potencjalnie szybszego mechanizmu transportu wody. Wątpi też, by ściana komórkowa mogła rozluźnić się tak szybko, jak wskazują pomiary. Równie ostrożna jest Kim Johnson, biolożka z australijskiego La Trobe University, która przypomina, że mamy tu do czynienia z pomiarem pośrednim. „Niezwykle trudno mierzyć te zjawiska w odpowiedniej skali” — przyznaje. Potrzebne będą dalsze eksperymenty, by zdecydowanie zamknąć temat.

Niezależnie od akademickiego sporu, muchołówka po raz kolejny dowodzi, że wciąż potrafi nas zaskoczyć. Najbardziej ikoniczna roślina mięsożerna świata nie potrzebuje mięśni ani nerwów — wystarczy jej genialnie prosta geometria sprężyny i 150 lat cierpliwości naukowców.