會“爆炸”的植物

段景頤

植物需要讓自己的種子傳播得盡可能地遠(yuǎn)，這樣后代才會有足夠的生存空間，彼此之間對資源的競爭也不會太激烈。一些植物通過猛烈運動將種子傳播到遠(yuǎn)處，就像爆炸一般。這種利用動能傳播種子的機(jī)制被稱為“彈射傳播”。包括豆科、大戟科、爵床科和葫蘆科等在內(nèi)的一些植物采用了這種播種機(jī)制。

要將種子彈射出去，植物必須具有某些儲能結(jié)構(gòu)。以鳳仙花為例，它的果實由五個果瓣構(gòu)成，內(nèi)含5～10顆種子。果瓣在成熟過程中不斷積累彈性勢能，成熟后果瓣的連接部分變得脆弱，很容易在外力作用下斷裂。此時，鳳仙花的果瓣快速彎曲并收縮，由此產(chǎn)生的動能將種子以4米/秒的速度向四周彈射。如果恰逢果實成熟，你走過鳳仙花時會聽到噼噼啪啪的響聲，就像是爆竹爆炸的聲音。

利用彈射傳播種子的植物大部分是豆科植物。這些植物基本上都是通過豆莢突然裂開的方式，將豆莢中的種子彈射出去。羽扇豆的長條形豆莢會在干燥到一定程度時爆裂。中國香港特別行政區(qū)的區(qū)花洋紫荊也采用彈射傳播，其種子能被拋到15米開外。

炸藥樹和“爆炸南瓜”

最可怕的“爆炸”植物是響盒子。響盒子的樹干有大戟科植物標(biāo)志性的錐狀刺，但它最危險的部分是像南瓜一樣的果實。雖然響盒子的果實長得像南瓜，但野生動物或人吃下果肉會立即引起嘔吐、腹瀉和肌肉痙攣。響盒子果實中的樹膠有劇毒，人的皮膚接觸后會起疹，眼睛接觸后可致盲。更叫人害怕的是這些“南瓜”成熟后隨時會“爆炸”。

響盒子果實的果瓣與種子之間有一層隔膜。隔膜最初緊貼果瓣，牢牢維護(hù)著果瓣的完整性。隨著果實逐漸干燥，果瓣與隔膜逐漸分離，果瓣逐漸失去約束。脫水讓果瓣變形，積累彈性形變。只要果瓣邊緣的連接組織開始開裂，果瓣的爆裂就再也無法阻止。

這些“南瓜”爆裂時發(fā)出開槍一般的響聲。響盒子最高可以長到50米，種子最遠(yuǎn)能彈射到60米開外，有些行人被它飛濺出的種子攻擊后還不知道是怎么回事。據(jù)測量，響盒子種子的最高移動時速可達(dá)241千米，被它的種子擊中比挨上一拳還疼。在美洲地區(qū)，響盒子有“炸藥樹”的外號。

最快的開花速度

《吉尼斯世界紀(jì)錄》將御膳橘收錄為全世界開花速度最快的植物。雖然它是山茱萸科中最小的成員，爆發(fā)力卻很足。在每秒能記錄1萬幅畫面的超高速攝影機(jī)幫助下，科學(xué)家測出御膳橘花朵完全張開僅用了0.2毫秒，花粉被拋射到空中所需的時間僅為步槍子彈出膛所用時間的1/3。人類裸眼完全無法捕捉到這么快的動作。御膳橘的花粉在短短0.5毫秒內(nèi)被加速到22千米/時的速度，瞬時最大加速度可以達(dá)到重力加速度的2400倍，相當(dāng)于航天飛機(jī)升空時最大加速度的800倍！

御膳橘是如何積累勢能的呢？它的每個雄蕊就好像一臺歐洲中世紀(jì)時期用于攻城的投石車。投石車的基本構(gòu)造是一個費力杠桿：短短的動力臂末端裝載著配重物，一般是大量石塊;長長的阻力臂末端裝著用于投擲的石塊。動力臂越短，撬動阻力臂所需的力越大，但阻力臂末端的線速度就越大，因此石塊能被充分加速，被拋到很遠(yuǎn)處。

御膳橘的花絲末端有花粉囊，花絲就好像投石車裝著石塊的阻力臂。在花朵開放前，花瓣末端相連，形成了一個花瓣籠。但花絲的生長速度會超過花瓣。因此，隨著花朵逐漸成熟，花絲對花瓣籠的壓強(qiáng)逐漸增大。當(dāng)花瓣籠再也壓制不住花絲時，花絲積累的勢能便在一瞬間爆發(fā)?；ǚ蹠粡椛涞骄嚯x花粉囊2.5厘米高的上方，并在氣流作用下飄散到約0.9米遠(yuǎn)處。

植物大炮——泥炭蘚

泥炭蘚是一種非常原始的貼地生長植物，只能長到1厘米高。它的孢子囊就像一個個微型大炮，噴出的是由數(shù)萬個孢子組成的微型蘑菇云。它能在不到千分之一秒的瞬間將孢子的時速加速到超過100千米。1897年，俄羅斯生物學(xué)家施瓦欽曾經(jīng)寫道：“我有好幾次彎腰近距離觀察泥炭蘚，都感覺到孢囊蓋撞擊我的臉?！?/p>

盡管噴發(fā)速度猛烈，這些孢子卻實在太小。在克服空氣阻力后，它們只能上升到距離地面10多厘米高處。這個高度聽上去不是很高，但已經(jīng)足夠讓孢子搭上近地氣流的“順風(fēng)車”。如果遇到合適的上升氣流，它們將被帶到數(shù)千米外甚至更遠(yuǎn)的地方。

泥炭蘚的孢子云以渦流形式噴出。從孢子囊噴發(fā)出的孢子云就好像一個首尾相連的龍卷風(fēng)。這種噴發(fā)形式不但能大大降低空氣對孢子云的阻力，還能維持孢子云的整體形狀。這樣一來，只有少數(shù)孢子會在傳播過程中掉隊，大多數(shù)孢子可以散播到遠(yuǎn)處。對渦流的利用在動物界很常見，比如章魚和水母也利用渦流快速推動自己前進(jìn)。不過，泥炭蘚這種原始植物居然能創(chuàng)造渦流，叫人不敢相信。

噴瓜爆發(fā)

葫蘆科植物噴瓜的“爆炸”過程十分壯觀。噴瓜的果實很小，但成熟后果實內(nèi)部會積累高壓，造成果實從果柄上脫離，在果實上開出一個小孔，其中的汁液和種子會突然從小孔中向外猛烈噴發(fā)，整個過程就好像猛烈腹瀉。巧合的是噴瓜的種子中含有葫蘆素，人或動物吃下后會引發(fā)嘔吐和劇烈腹瀉。正因如此，噴瓜種子也被用于制造瀉藥。

噴瓜爆發(fā)的機(jī)制有些類似高壓鍋。隨著果實逐漸成熟，種子周邊組織開始分解，形成黏液。黏液逐漸增多的過程會在果實內(nèi)部不斷積累壓力，最后噴發(fā)。噴瓜可以將種子散布到1～6米遠(yuǎn)處。

碎米薺爆裂靠木質(zhì)素

有些植物爆裂釋放的能量是在種子莢干燥變形的過程中逐漸積累的。但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碎米薺豆莢爆裂時，豆莢還保持著濕潤狀態(tài)。

碎米薺是一種小型十字花科植物。它的豆莢完全成熟后會迅速爆裂，將種子彈射到周圍。整個爆裂過程不到3毫秒。碎米薺和太空明星植物擬南芥（一種常見的路邊雜草，但卻是太空植物實驗的模式植物之一）的關(guān)系很近，兩者豆莢的形狀也很相似。不過，擬南芥的豆莢不會爆裂。那么，既然兩者的外形結(jié)構(gòu)沒有太大區(qū)別，碎米薺為什么會爆裂呢？

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，碎米薺的果皮中含有大量木質(zhì)素，主要分布于內(nèi)果皮層，且為不對稱分布。木質(zhì)素是一種非常堅硬的有機(jī)聚合物，內(nèi)果皮中含有的大量木質(zhì)素讓內(nèi)果皮硬度大大超過豆莢的外果皮。果瓣橫截面顯微成像顯示，內(nèi)果皮中的木質(zhì)素像櫥柜門的鉸鏈一樣彼此連接，排列成一個彎曲面。曲面有助于維持果瓣形狀（就像自行車運動員的魔術(shù)綁腿帶），同時也能讓果瓣積累應(yīng)力。隨著豆莢中的種子逐漸長大，果瓣積累的應(yīng)力也越來越大。當(dāng)種子將木質(zhì)素構(gòu)成的曲面撐平時，果瓣再也無法維持原有形狀，猛烈收縮，并瞬間釋放出此前積累的所有應(yīng)力。

多變的堇菜

堇菜散播種子的過程沒有那么激烈。堇菜果瓣在成熟過程中逐漸由低垂變?yōu)閾P(yáng)起，然后果瓣緩慢張開，球狀果實裂為三瓣，露出其中許多油亮的種子。突然，沒有任何征兆，種子從果瓣中飛快彈出，降落在距離果實1米外的地上。這些種子富含脂肪，落地后會被螞蟻搬回蟻穴，堇菜種子就這樣被傳播到各處。

和其他植物種子的彈射傳播過程不一樣，在堇菜種子被彈射出去的全過程中，果實的其余部分幾乎不見任何動作。那么堇菜種子是怎么被彈飛的呢？其實，堇菜果瓣完全打開后，內(nèi)果皮會迅速脫水收縮，種子受到的壓力越來越大，最后被彈飛。

堇菜屬植物在缺水時會采用一種十分極端的自花授粉模式——閉花受精。這是一種不用開花，在花蕾階段就能完成授粉的模式。閉花受精雖然節(jié)省能量，但要付出犧牲多樣性的代價，會造成植物適應(yīng)環(huán)境的能力下降。因此，堇菜通過彈射種子這種播種方式，配合螞蟻等動物的搬運，能夠避免同一區(qū)域出現(xiàn)大量基因相同的后代。當(dāng)水源充足時，堇菜會和其他被子植物一樣開花，進(jìn)行異花授粉。這樣一來，它后代的多樣性也得到了保障。

根塊蘆莉草遇水“爆炸”

原產(chǎn)于中美洲的根塊蘆莉草是一種著名的爵床科植物，也是一種“爆炸植物”。根塊蘆莉草的長條形種莢遇水后會“爆炸”，并從原地彈起，這是這種植物最有趣的地方。沒有成熟的種莢是綠色的，遇水不會“爆炸”。當(dāng)種莢的顏色逐漸由綠轉(zhuǎn)褐，就標(biāo)志著它們已經(jīng)完成“爆炸”前的準(zhǔn)備。種莢的連接部分遇水后強(qiáng)度會下降，這可能是觸發(fā)“爆炸”的機(jī)關(guān)。

種莢裂開后，可以看到內(nèi)部有一些彎曲的硬絲，它們是給種莢“爆炸”提供動能的結(jié)構(gòu)。當(dāng)種莢連接部分遇水強(qiáng)度變?nèi)鹾?，這些硬絲會將種莢的兩瓣猛地彈開，這就是根塊蘆莉草遇水“爆炸”的秘密。

（責(zé)任編輯王川）