植物几何形状影响食肉动物捕获猎物

　　牛津大学植物园和数学研究所的研究人员已经证明，肉食性猪笼草的形状、大小和几何形状决定了它们捕获猎物的类型。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)是一种在热带地区发现的食肉植物，特别是在东南亚。它们的名字指的是它们用来捕捉猎物(通常是昆虫)的中空杯状结构。猪笼草的形状和大小千奇百怪，从管状植物到高脚杯状植物，有些植物甚至长着刺状的“牙齿”，但它们为何有如此明显的差异，这还是个谜。

　　“大约20年前，我在东南亚的野外第一次见到这些非凡的植物。植物学家、牛津植物园副主任克里斯·瑟罗古德博士回忆道。“我记得我在想:它们是如何以及为什么变化如此之大?”能帮助解开这个谜团真的很令人兴奋。”

　　猪笼草捕获猎物的机制是众所周知的:每个猪笼草的顶部都有一个光滑的边缘，叫做胃壁，上面覆盖着一层隆起，可以收集一层水。这导致猎物打滑，落入水罐底部的消化液池中，类似于汽车在水面上打滑。但是，尽管这一过程对所有猪笼草都很常见，但其边缘的形状从简单的圆柱体到非常华丽的凹槽或齿状结构都有。篮筐越华丽，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，以观察边缘的形状对猎物捕获的影响。形状被分为四组，这些形状存在于自然界中，可以很容易地通过数学重建进行比较。假设的捕获效率是用“点质量”来测量的，这相当于一只昆虫滑进了陷阱。然后通过检查不同结构的相对面积和陡峭度来计算产生边缘的能量成本。

　　牛津大学数学研究所应用数学教授德里克·莫尔顿解释说:“数学重建使我们能够探索自然界中存在的这些植物的权衡。”大型喇叭轮辋的生产成本很高。通过模拟真实的和极端的——自然界中不存在的几何形状——我们能够证明，在一个最佳结构中，生产成本可能会被捕获的额外猎物所抵消。”

　　牛津大学数学研究所博士后研究员Hadrien Oliveri博士补充说:“在陷阱大小方面也存在类似的情况。”“我们可能会认为边缘的大小与特定栖息地中最常见的猎物有关，比如蚂蚁或甲虫。”

　　为了研究陷阱大小的影响，研究小组开发了一个数学模型，将猪笼草边缘的三维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——以及放置在不同位置的猎物的稳定性和滑动方向。

　　结果表明，胃壁几何形状的变化对植物的捕获能力有深远的影响。例如，高度喇叭形的衣壳的几何形状似乎特别适合捕捉像蚂蚁这样的行走昆虫。

　　在自然界中，猪笼草生长在缺氮的环境中，比如山坡、沼泽和热带森林。这意味着它们从被困昆虫身上捕获氮的能力使它们比非食肉植物更具优势。每一个栖息地都有一个独特的潜在猎物组合，这就增加了猪笼草进化出各种陷阱来捕捉特定地方各种类型的昆虫的可能性。

　　Thorogood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不同形式的猎物。”

　　但是，尽管这些“绿色食肉动物”很受欢迎，在野外研究它们却很困难。因此，数学方法可以成为揭示这些植物学好奇心的有力途径。

　　“在自然环境中观察这些植物当然是了解它们的最好方法。但这些植物中有许多生长在偏远、荒凉的地方，所以在自然界中研究它们是具有挑战性的。”瑟罗古德博士说。

　　数学研究所的数学建模教授Alain Goriely说:“对于数学家和生物学家来说，合作是一种强大的方式，可以理解这些非凡的生物是如何以及为什么进化的，并提出新的假设。”“数学模型使我们能够对它们进行测试。”

　　研究小组计划继续研究猪笼草和其他生长在植物园的植物——一个供科学家探索的活图书馆。

　　/公开发布。来自原始组织/作者的材料可能具有时点性质，并根据清晰度，风格和长度进行了编辑。海市蜃楼。新闻不受机构限制

　　所有的位置或侧面，以及所有的视图、位置等

　　此处表达的结论仅代表作者的观点。点击此处查看全文。