植物卷须的奥秘

作者: 张莉俊

来源: 科学大院

发布日期: 2021-09-07

本文探讨了植物卷须的形成、功能及其在装饰艺术、摄影和材料科学中的应用。卷须是攀援植物为了适应生长环境,经过长期的自然选择而进化成适应于攀援生长的变态结构。它们不仅在植物生长中起到关键作用,还在人类文化、艺术和技术创新中发挥了重要作用。

植物:我不内卷

但我的须卷

“卷草纹”是以植物的枝蔓和花叶为主要题材,以卷曲、盘旋、缠绕方式为基本特征的图案。虽说听起来可能有些陌生,但在我们日常生活的建筑门窗、墙纸、地毯、刺绣、服饰上,以及餐具、瓷器上,都能看到它们用流畅的曲线展示着生命的活力。

卷草纹非常古老,早在公元前16世纪,迈锡尼艺术就已经将植物卷须应用在装饰中,形成了最早的卷草纹。魏晋南北朝时期,随着西域文明的传入,卷草纹也传入中国,并在唐朝得到盛行,因此也叫“唐草纹”。敦煌壁画中,卷草纹便占据着重要的地位。直到现在,卷草纹依然在装饰界独占鳌头。

风靡了几个世纪的卷草纹,为什么仍如此受青睐?原因不仅在于其图案华美、外形飘逸,更在于其植物原型——卷须那独特且惊人的生命力。

在竞争激烈的大自然中,植物们为了生存各显神通,为了完成开花结实、繁衍后代的使命,它们必须不停地探索适合自己的生存方式。其中有这样一类植物,它们没有挺拔的身姿,很难获得阳光雨露的滋润。但在艰难地努力尝试下,它们发现借助它物攀附向上是一种很不错的选择。于是,攀援便成了这类植物的生存技能。

为了达到攀援的目的,植物们想了很多办法——有的通过枝条弯曲上升进行缠绕;有的将自己的花、叶、茎等器官变态(改变形态结构的异常生长现象)为卷须;还有的进化出吸盘、不定根或刺来固定自己,达到附着向上的目的;还有一些更聪明的植物,同时具备以上多种功能。不得不说,植物的聪明和坚持真是令人敬佩!特别是姿态优美、反应敏捷的“卷须”,成功吸引了作者的注意。

植物卷须是攀援植物为了适应生长环境,经过长期的自然选择而进化成适应于攀援生长的变态结构。它是藤本植物借以缠绕和攀援的重要器官,可以起到辅助攀援和固定植株的作用,使植物能够延伸生长到光照、通风良好、养分充足的地。同时,卷须还能固定植株、防止倒伏或被风吹断。

植物卷须的研究可以追溯到达尔文时代。达尔文认为,植物卷须可能来源于各种各样的器官结构,包括花序、叶、茎。经过多年来科学家们的观察和研究,他的推测基本都应验了。卷须即是植物学中,研究趋同进化的理想器官。

如何区分各种卷须?首先,看着生位置。若卷须腋内有分枝或开花,则为叶卷须(它在叶着生的位置),若生于叶腋位置则肯定是茎卷须或花序卷须。其次,看形态。叶卷须着生在本来着生叶子的部位,常常是叶子的一部分的变态,有的还残留有叶的一些基本特征,如腋部有芽、托叶、叶片。而茎卷须着生在本来着生芽或叶腋的部位,是茎的变态,具有残留茎的一些基本特征,如分支方式、退化的叶片等。

达尔文在《攀援植物的运动和习性》一书中,详细描述了10个科27种卷须植物的运动方式。首先,植物会把它的卷须摆在易于行动的位置,如果卷须放置的位置有所移动时,它会受到重力的影响而纠正自己。若干天内,植物的卷须或节间,或二者会共同产生稳定的自发旋转。卷须一旦碰到了某个物体,便会迅速且牢固地缠绕它。卷须缠住物体之后,在若干小时中,它会收缩成螺旋,把茎向上拉,并且做成一个完美的弹簧。

之后,卷须会靠着攀援物生长,不久变得非常强固和耐久。到此,卷须已经完成它的工作,并且完成得很漂亮。

达尔文在观察西番莲卷须向支柱快速弯曲运动时发现,卷须的末梢接触到支柱后,在20~30s内就能激发出明显的弯曲来。他认为,这样快速的运动不仅仅是向光性生长的机理就能解释的。根据对一些敏感植物中所作的零星观察,他大胆地提出卷须的向触性运动是靠动物中已发现的电波传递和原生质收缩来实现的,然而这个推测受到了当时植物生理界权威的强烈反对,他们认为:植物没有神经肌肉的结构,又如何会执行这类机制呢?

事实上,攀援植物具有形态可塑性和向触性运动的行为生态学特征,也就是说,攀援植物为了获得更多的光照可以主动改变形态,随卷须的方向生长、攀附于其他物体上。形态可塑性有利于增强攀援植物的攀附能力,而向触性运动则确保了攀援植物能够顺利找到合适的支持物。那么,向触性的秘密又是什么呢?在20世纪90年代,中国农业大学娄成后教授等人以丝瓜为研究对象,对植物的攀援行为进行了研究。

他们认为丝瓜卷须的向触性运动具有方向性,而方向性的产生是由电信号传递和原生质收缩实现的。乙酰胆碱(ACh)在这个过程中充当着“信使”作用。

卷须受到各界的关注和欢迎!大家已经知道卷须的勃勃生机成就了卷草纹图案的活力之美,为装饰艺术做出了巨大的贡献。此外,作者还发现,卷须也是摄影界的宠儿,摄影大师们对卷须真是百般喜爱,卷须自然流畅的线条以及伸缩的张力与活力特别能引发人对生命的思考。在中国第一位获得四大国际专业类自然摄影赛事“大满贯”的微距摄影师——袁明辉的作品中,也有很多卷须类题材,其中《自然的和声》被英国自然博物馆永久收藏。

除了美学领域,卷须还在材料科学上得到了应用。2019年,《Science》发表了一篇文章:黄瓜卷须启发的可编程人工肌肉。MIT的研究人员由黄瓜卷须启发,找到了模拟这种卷绕和拉伸的方法来产生可伸缩纤维,当拉伸到其原始长度的几倍时,自然形成一个紧密的线圈。这种人造肌肉纤维可以用作机器人手臂、腿或夹持器中的致动器,也可以用作假肢的部件。

这种纤维还可以应用于小型生物医学设备,比如进入动脉后再被激活的医疗机器人。这种材料的出现为科学技术提供了一个可以探索的更广阔的领域,在此,黄瓜的卷须可谓功不可没!

UUID: d22f9761-9c35-4fb2-80af-0fa6e8933480

原始文件名: /home/andie/dev/tudou/annot/AI语料库-20240917-V2/AI语料库/科学大院公众号-pdf2txt/2021年/2021-09-07_植物:我不内卷但我的须卷.txt

是否为广告: 否

处理费用: 0.0083 元