生物科課程 含羞草的觸發運動

<本內容參考Backyard brains教學資源，轉載請註明出處>

我們許多人應該都見過含羞草(Mimosa pudica)。這種植物對外界刺激非常敏感，當葉片受到碰觸或搖動時，會迅速閉合。若刺激較大，甚至會牽動整個葉柄基部，使葉片下垂。那麼，含羞草的這種「觸發運動」究竟是如何產生的呢？

實驗目的

在此實驗中，透過植物電訊號的偵測，將探索含羞草受觸發所產生動作電位的過程，深入認識其動作電位的訊號

實驗設備與材料

• 植物電訊號盒
• 含羞草

背景知識

敏感含羞草(Mimosa pudica)擁有可愛的紫色花朵，並且在觸摸時葉片會閉合的獨特特性。它因其美麗和獨特的行為，深受家庭園丁和植物科學家的喜愛和著迷

在健康的含羞草植物中，你可以觀察到兩種觸發的「快速運動」反應。輕輕觸摸葉片(稱為羽片)，葉片會沿著葉軸(稱為葉枕)的位置快速閉合；如果觸摸的力量較大，葉片不僅會閉合，葉枝還會沿著主枝(葉柄)連接到莖的位置下垂

這樣戲劇性的動作是如何發生的呢？植物究竟如何偵測到觸摸的刺激呢？科學家們推測，葉片底面的小型紅色機械感應器會對機械干擾做出反應，這將引發電脈衝(動作電位)沿著葉軸傳播，從而導致我們觀察到的植物運動行為

透過強力觸摸，動作電位會沿著葉軸和葉柄向下傳播，透過「韌皮部」，最終到達葉枕的位置。這種訊號傳播的確切性質仍在積極研究中

但植物實際上是如何移動的呢？由於植物不像我們一樣有肌肉，因此植物的運動是通過水力(即水流)來實現的。植物細胞內有一種特殊的大型胞器，稱為「液胞」，裡面充滿了水，佔細胞體積的70%至80%。植物已經發展出「水通道蛋白」這種特殊通道，以便快速將水移入或移出液胞。這些通道類似於離子通道，但只允許水通過，不允許離子流通。因此，能夠快速移動的植物可以迅速將水從選定的細胞中排出，水的流出使細胞收縮，根據植物的位置，多個細胞同時收縮可能導致機械應變，從而產生快速運動。

那麼，是什麼引發了水的移動呢？當然，就是動作電位本身！離子穿過細胞膜的移動會導致動作電位的產生，同時也會造成滲透壓的不平衡，進而引發水的移動

下圖描述了這個過程，動作電位始於細胞內Ca²⁺的濃度增加，其帶正電，使細胞內的電位增加。電位增加後，將使電位敏感型Cl^-通道開啟，導致Cl^-流出細胞，因此植物細胞內的電位再增加。為了響應Cl^-流出，K⁺通道隨後開啟，讓K⁺也流出植物細胞，由於K⁺帶正電，這會使細胞恢復靜止膜電位，並平衡Cl^-電荷

但是…我們現在有了一個植物細胞可以利用離子的情況: 現在細胞外有過多的Cl^-和K⁺，或者說，我們有一個不平衡的滲透壓。透過水通道蛋白，水會隨著Cl^-和K⁺移動，導致植物細胞迅速流失水分、收縮，最終引發植物快速運動

細胞收縮後，可以透過將Cl-和K+移回細胞中以再次填充水，但這需要消耗能量，並且是一個較緩慢的過程。在含羞草中，這大約需要10分鐘，在捕蠅草中，大約需要1~2天

我們現在將觀察和測量敏感含羞草的行為和電生理學，在本次實驗中，我們將透過「植物電訊號盒」觀察植物的動作電位，歡迎進入新時代的植物電生理學世界

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