以速度著稱的“植物運動員”

張唯誠

一般來說，植物在很大程度上是不動的，它們扎根在一個地方，直到死去。但事實上，植物中有許多令人瞠目結(jié)舌的“速度奇才”。

在美國南卡羅來納濕地的某個地方，一只蒼蠅落在了一塊粉紅色的植物表面上。在探索這塊新環(huán)境時，它無意間碰了下身旁一根細毛，于是那細毛便像劍一般地豎立起來。當蒼蠅又碰了第二根細毛時，那粉紅色的表面突然像對巨大的植物顎一樣地關閉了。這個瞬間只有十分之一秒，那只蒼蠅就此了卻一生。

沙盒樹被稱為“炸藥樹”，它可以把種子扔出很遠，其距離相當于一個標準游泳池的長度。

茅膏菜被稱為“別碰我”，它能用有粘性的卷須卷住獵物，在觸碰獵物后的幾秒鐘內(nèi)就會將復葉折疊起來……

能高速運動的植物一直吸引著人們的關注。十多年前，科學家們開始用高速數(shù)碼攝影機和電腦模型研究植物的運動。逐幀分析技術和高分辨率鏡頭，終于給研究者們提供了一個詳細觀察植物運動的新途徑，讓大家得以看清究竟是什么給了植物如此驚人的速度。植物制造速度的機制五花八門：有可以像足球運動員一樣踢出種子的裝置;像長曲棍球運動員一樣投擲種子的裝置;還有一種植物甚至會產(chǎn)生熱，以爆炸的方式把種子發(fā)射出去。

捕蠅草

約爾·福特爾是美國哈佛大學一名年輕的科學家。本世紀初，老師送給他一件禮物——一株捕蠅草。這種植物雖然沒有肌肉，但是運動能力卻令人驚奇。

福特爾很快意識到，專業(yè)優(yōu)勢可以幫助自己理解捕蠅草的運動。他研究的是軟物質(zhì)物理學，這門學問探索了某些材料（如液體、泡沫和一些生物組織）是如何改變形狀的。

2005年，福特爾成為第一批依靠高速攝影機和計算機建模研究植物快速運動的研究者之一。捕蠅草的葉子是互相對著的，像一本翻開的書。利用超高速攝影機和電腦，福特爾的團隊追蹤到了這種葉子在彎曲時發(fā)生的微小變化，看清了葉子的特殊形狀如何作用到它們的速度。

當一只蒼蠅或其他獵物觸發(fā)“陷阱”時，處在葉子綠色外側(cè)的細胞會發(fā)生膨脹，而位于粉紅色內(nèi)側(cè)的細胞則沒有膨脹，這種差異產(chǎn)生的力把外表面向內(nèi)推去。由于壓力過大，葉子原本的凸形（向外彎曲）迅速轉(zhuǎn)變成了凹形（像碗一樣向內(nèi)彎曲），捕蠅草便迅速閉合了它的“陷阱”。我們可以借很受歡迎的兒童玩具——橡膠炮（Rubber poppers）去理解這個動作的原理。橡膠炮是很小的橡膠半球體，可以翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)后就像一個壓縮了的彈簧。由于橡膠炮翻轉(zhuǎn)時儲存了很多能量，也就是所謂的勢能，所以在它恢復到原來的形狀時，就會將儲存的能量轉(zhuǎn)化成了動能——運動的能量，于是就能彈得老高。同樣潛在的能量，也會隨著捕蠅草葉子的外表面向內(nèi)表面擠壓而得到儲存，也會像橡膠炮一樣，瞬間把這種能量轉(zhuǎn)化成動能，這才是它能在十分之一秒內(nèi)關閉葉狀陷阱的關鍵。

加拿大草茱萸

在福特爾研究捕蠅草的同時，愛德華茲和丈夫帶領一群年輕的研究人員正在世界最大的淡水湖——蘇必利爾湖的皇家島采集當?shù)刂参铩?p>

一個學生把頭低下去嗅加拿大草茱萸的花時，注意到“有些事情發(fā)生了”。出于好奇，研究小組把這株植物帶回實驗室，想用拍攝視頻的方法研究這種植物的行為。但無論怎樣給以刺激，這種植物的運動都難以捕捉。于是愛德華茲升級了攝影機，使它每秒可以拍攝1000幀照片，但這還是不行。愛德華茲回憶道：“我覺得是攝影機出了問題。”于是，她找到當時正在威廉姆斯學院的惠特克?；萏乜税l(fā)現(xiàn)，原因僅僅是這種植物運動得太快了，攝影機無法捕捉到。

為此，愛德華茲用了一臺可以每秒拍攝10000幀的攝影機，終于第一次清楚地看到了這種植物的運動機制：起初，這株植物的四個花瓣聚在一起，勉強遮蓋著四個彎曲的、像臂膀一樣的結(jié)構，那是從花瓣上伸出來的帶有花粉的雄蕊。當肥胖的大黃蜂或者好奇的人類打擾了這株植物時，它的花瓣就會分開，從而釋放雄蕊。這時雄蕊就會被彈射出去，其加速度可以達到2400g（戰(zhàn)斗機飛行員在失去知覺前可以忍受的過載加速度大約是9g）。這時雄蕊會彈射出花粉袋（附著在每個雄蕊的頂端），于是一團花粉云便向風中或者引發(fā)了這種爆炸的物體飛去。

矮槲寄生

植物所展示的豐富運動形式和它們的速度一樣令人印象深刻。例如，美國矮槲寄生的運動依靠熱。這種寄生植物生長在美國西海岸松樹枝的鱗莖上。當這種寄生植物需要擴張領地時，它們會以每秒20米的速度射出種子。這樣的壯舉是如何做到的，人們一直百思不得其解。

美國槲寄生

2015年，研究人員終于發(fā)現(xiàn)，那些種子是由植物自己產(chǎn)生的熱量發(fā)射出去的。生物學家們用熱成像技術研究槲寄生，這種技術能在小于一毫米的區(qū)域內(nèi)測出溫度的微小變化。人們發(fā)現(xiàn)，在槲寄生將要釋放種子的大約一分鐘前，它們會將溫度升高大約2攝氏度。

原來，秘密隱藏在線粒體中。它是細胞中可以產(chǎn)生熱量的結(jié)構，能導致細胞發(fā)熱。細胞發(fā)熱能讓一種粘性凝膠發(fā)生物理性膨脹，正是這種膨脹的力量把種子爆炸式地彈了出去。

毛花矮牽牛

2018年3月，科學家們新發(fā)現(xiàn)了一種植物，它能夠像運動員用弓彈射箭一樣地將種子彈射出去。這杰出的“運動員”是毛花矮牽牛。這種花有細長的種莢，每個種莢擁有大約20粒圓盤狀的種子，一種鉤狀物將每個種子固定在適當?shù)奈恢蒙稀?/p>

這種花在生長時，種莢會在接縫處被拉緊。當它成熟了，種莢會被拉開，里面的鉤狀物就會把種子甩出去。這時每粒種子會出現(xiàn)極快的旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速達到每分鐘10萬次，這個速度在動植物中可以說是最快的。有趣的是，正是這種自旋使這些種子在飛行中保持穩(wěn)定。這個道理好懂，槍管內(nèi)有膛線，其作用就是為了使子彈在出膛前發(fā)生旋轉(zhuǎn)，以此增加子彈飛行的穩(wěn)定性。

科學家稱，植物的某種物理特性為機械不穩(wěn)定性，有時這種不穩(wěn)定性會隨著植物的生長而發(fā)展，就像拉緊了的弓一樣。期間植物可以儲存潛在的能量，當“弓弦”被拉得足夠緊的時候，它就釋放能量，將勢能轉(zhuǎn)化為動能，于是植物就有了迅疾的反應。機械的不穩(wěn)定性可以讓捕蠅草的器官迅速關閉，甚至可以讓一些植物跳起來。其儲存和釋放的能量，給植物提供了加快運動速度的途徑，幫助一些植物迅速捕獲昆蟲，也幫助植物傳播后代。相對與其他沒有這種本領的植物來說，這就是一種種族優(yōu)勢。