爬山虎的“脚”“飞檐走壁”如此厉害

原标题:童年回忆!《爬山虎的脚》科学版番外

大家还记得小学课本上叶圣陶先生的文章《爬山虎的脚》吗?

文章这样描述爬山虎:“原来爬山虎是有脚的,爬山虎的脚长在茎上。茎上长叶柄的地方,反面伸出枝状的六七根细丝,每根细丝像蜗牛的触角。细丝跟新叶子一样,也是嫩红的。这就是爬山虎的脚。”

爬山虎的吸盘 ( 图片来源:袁明辉拍摄)

叶圣陶先生从文学家的角度对爬山虎进行了观察。实际上,他所说的爬山虎的脚就是吸盘。

凭借着吸盘,爬山虎在攀缘植物界叱咤风云,独领风骚。不信你可以仔细观察,用不了多久,它就可以让建筑外墙变得生机盎然,青翠欲滴。

爬山虎爬满建筑外墙 (图片来源:veer图库)

吸盘——爬山虎的“脚”

爬山虎又名爬墙虎、地锦、飞天蜈蚣,为葡萄科爬山虎属,是落叶多年生木质大的藤本攀援植物。作为一种攀援植物,借助它物攀附向上生长是爬山虎这类植物的生存技能。

而在攀援植物大家族中,植物们又有各种不同的攀援方式,有的通过枝条弯曲上升进行缠绕;有的把自己的花、叶、茎变态为卷须;还有植物进化出吸盘、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,就为了让自己实现“飞檐走壁”的梦想。

爬山虎的卷须就由茎变态而来,当遇到可以攀爬的平面时,卷须顶端和尖端会发育成吸盘,通过吸盘的吸附来向上攀援,寻找生长空间。

卷须和吸盘就像是爬山虎的“手”和“脚”。手脚并用,无论是岩石、墙壁或是树木,爬山虎均能牢牢吸附,不在话下。

爬山虎的卷须与吸盘(图片来源:作者拍摄)

在植物学领域,观察爬山虎最早的还要数进化论先驱达尔文。

在观察弗吉尼亚山葡萄(也就是爬山虎)卷须运动的过程中,他发现,有的植物卷须缠住枝条或支棒后会自己撤回,而当碰到木材或墙壁的平面时,才把所有的须枝向它弯曲,稀疏地铺开,使它们的钩状顶端的侧面与它接触。

大约两天左右,卷须顶部会膨胀形成了一种可以牢固粘附的“小垫子”,这就是我们所说的“吸盘”了。

没有贴附于任何物体的卷须,会在一两个星期后枯萎脱落。达尔文提出,爬山虎的吸盘是不会主动发育的,除非受到一定的外在刺激,例如暂时性地与一些物体进行接触。

图片来源:《攀援植物的运动和习性》作者达尔文

280万倍!吸附力超强的爬山虎吸盘!

日常生活中,我们常常会用到吸盘,如吸在墙上的衣挂或吸在卫生间的置物盘等。这些真空吸盘利用空气压力进行吸附,一般可以承受几公斤之内的重物。

但是跟爬山虎相比,真空吸盘的吸附力就有些“小巫见大巫”了。达尔文发现,一株具有10年以上树龄的成熟爬山虎小枝仅留有一个吸盘与基底接触,在小枝上悬挂两磅重物(重力约为8.9牛顿)的条件下,吸盘仍然能够牢牢地粘附在基底表面而不脱落。

科学家们对爬山虎的吸盘吸附力做了详细地测量。一个成熟吸盘的平均质量约为 0.0005克,与基底的粘附接触面积平均值也只有1.22平方毫米,而粘附力却达13.7牛顿。

通过核算得出:单个吸盘能够支撑起自身260倍的重量,包括由茎、叶、分枝和卷须共同产生的重量;而吸盘能够承载的最大拉力是自身重量的280万倍。这是一个非常惊人的数据。

大家都知道,壁虎的吸附力已经很厉害了,能够攀爬甚至倒挂在各种墙面上,然而成熟吸盘能够承受的吸附力是壁虎脚的112倍。

此外,根据吸盘的接触面积和吸附力粗略估计,由模仿吸盘设计出的“仿生手掌”的一根手指尖,就能通过吸附支撑起一个114公斤的人。

由吸盘材料仿生而成的手掌的一个手指尖吸附在基底,就能支撑114公斤的人(图片来源:参考文献1)

一个吸盘已经非常强大了,然而爬山虎的粘附系统同时拥有多个吸盘,再加上卷须的螺旋状结构作为“外挂”,让爬山虎能够在墙面上不惧重力,垂直攀援,经受得住狂风的吹刮与暴雨的冲刷。

吸盘是怎么长出来的?怎么粘上的?

科学家们提出,由卷须尖端发育成完全成熟的吸盘是一个复杂的过程,它要依赖吸盘形貌和结构的转变。

他们发现,爬山虎卷须上的搜寻枝具有很强的基底识别能力,可以感知出基底表面是否能让它们牢固粘附。未成熟的吸盘在接触刺激后,产生了一系列复杂的细胞分裂和扩大过程,同时表皮和表皮下的细胞会积聚一种粘性物质,并通过细胞壁从表皮细胞中分泌出来。

这种粘液会让表皮破裂,分泌出的粘液使吸盘对支持物产生粘性,最终令吸盘和基底粘结在一起。

在完全粘附完毕的吸盘中,流动的粘液像是“双面胶”似的,占据了表皮细胞内部区域的所有空隙,也占据了表皮细胞与基底之间的空隙。

爬山虎卷须上的搜寻枝(图片来源:参考文献5)

通过显微观察,爬山虎的吸盘被明显地分为中心区域和外围区域这两个部分。

外围区域就是吸盘分泌粘液和表皮细胞伸长的主要部位。基底表面上不平整的凹陷,要么被流动的粘液占据了位置,要么被表皮细胞填充,使吸盘和基底之间形成了完美的咬合,从而保持超强的粘附作用。

在扫描电子显微镜实验中,还发现了一些新型奇特的吸盘微观结构。这些海绵状多孔结构有利于粘液的流动和传送,并能显著增强吸盘和基底之间的粘附作用。

图片来源:参考文献1

当吸盘稳固地粘附后,卷须会开始卷曲、变厚并木质化,这才使得爬山虎的卷须和吸盘都有一个相当大的保持力。

此外,科学家们还观察到,爬山虎吸盘会沿着卷须主轴进行交替排列,这不仅遵循建筑学中的对称—非对称规则,而且和表面物理化学中的稳定吸附原理一致。

爬山虎吸盘沿着卷须主轴的交替排列,就是一个符合结构力学的经典例子。更奇妙的是,吸盘、卷须和茎的几何相关性和城市管网中的支管和主管分布有着惊人的相似性。

爬山虎吸盘的分布(图片来源:veer图库)

爬山虎吸盘的排列模型图(图片来源:参考文献2)

管道分支排列(图片来源:veer图库)

吸盘分泌的“胶水”是什么物质?

早年,达尔文还对爬山虎吸盘中的粘性分泌物进行了溶解性实验。他从灰泥墙上采集了一些已经成熟的吸盘,并在热水里泡了几个小时。之后,他用乙醇和乙酸对其进行洗涤,发现粘附在吸盘上的小石粒还是很顽固,难以脱落。

不过,当吸盘在乙醚中浸泡了一天后,石粒开始松动,而在温和的香精油(主要成分是薄荷和百里香)中,仅用了几个小时,石粒就完全松散了。

溶解性实验结果似乎表明,爬山虎的吸盘中起粘结作用的成分,是树脂粘结剂。

后来,科学家通过染色实验研究发现,爬山虎吸盘分泌的粘性物质很有可能就是酸性粘性多糖;而通过现代免疫细胞化学方法进一步表明,吸盘分泌的粘性特性主要是和已经脱除支链的鼠李糖半乳糖醛酸聚糖有关。

2012年,科学家们用高效液相色谱/质谱联用的方法初步分离了爬山虎吸盘中的 21 种有机成分,大多数都含有氮、硫、氧元素。而含有这几种元素的化合物基本都能产生极性。因此,推测氢键作用可能会是吸盘在攀援过程中产生的一种弱吸附力。

2016年,通过偏光显微观察发现,吸盘的皮层细胞内含有晶体,且普遍存在于成熟细胞中,通过酸溶解性测试发现,晶体是由草酸钙组成的针状晶体,被称为针晶。针状晶体被有机基质包埋成束状。大量水能将晶束解散,分离出单个晶体。

草酸钙晶体的结构特征(图片来源:参考文献4)

草酸钙晶体具有重要的机械支持作用,可以增强吸盘在基底上的稳定性。另外,针状晶体可能有利于防止吸盘被食草动物或昆虫咬食。

晶体的稳定性非常强,有人发现爬山虎生长的石头在自然界经历了130年的“沧海桑田”后,仍然有晶体沉积在基底表面或吸盘的外围。

吸盘的粘附机理假说

1.界面反应假说

科学家们提出了界面反应导致吸盘“锚合”和氮-氧吸入形成负压的吸附机理假设。

爬山虎分泌出的黏液属于一种弱酸性物质,在吸盘与衬底的接触面,会发生缓慢的化学反应,这种反应很难通过肉眼和普通分析方法进行检测。

界面反应的化学产物在分子层面扮演微填充物的角色,它能显著增强吸盘与基底之间的粘附力。

这种界面化学反应导致吸盘在衬底表面“锚合”。此外,随着吸盘的生长和发育,卷须尖端受到持续地接触刺激,分泌物也源源不断地产生,这样有部分空气被包在吸盘里,在生长和发育过程中,光合作用消耗掉包在吸盘中的氮气。

与此同时,某些还原性分泌物发生的氧化反应会消耗掉包在吸盘里的氧气。

光合作用和氧化反应几乎会消耗掉包在吸盘里的所有气体,这样导致吸盘里面形成负压,从而加强吸盘与衬底之间的粘附强度。

此外,吸附力、分子间力、静电力、毛细力和范德华力的弱相互作用力对粘附也有辅助作用。

2.多级系统增强构筑假说

还有的科学家认为,从整体上看,吸盘具有类似钢筋混凝土的构筑,其中细胞壁纤维好比钢筋,细胞基质和粘液充当水泥,晶体像是石子。

自然环境中,吸盘充满粘液的表皮层脱水固化后,会形成一级防护层;富含晶体的皮层组织,大大增加了皮层的机械强度,为二级防护系统;木质部发达的维管柱为三级防护系统,将在前两级防护系统失效时发挥作用。

这种多级的系统增强构筑能在最大程度上保证吸盘粘附的稳定性和持久性,在自然界中,能够维持10年到130年甚至更久。

总之,吸盘的吸附原理远比我们想象的要复杂。

想要揭秘吸盘的微结构和粘附机理,还需要更多深入探索的工作。自然的力量不仅能创造美,更能创造奇迹。

参考文献:

1、何天贤、杨文伍、邓文礼. 具有超级粘附作用的藤本植物——爬山虎的最新研究结果及研究进展评论. 自然科学进展. 2008,(11):1220-1225

2、何天贤. 爬山虎吸盘的粘附作用研究. 华南理工大学. 2012. 博士毕业论文.

3、张莉. 爬山虎吸盘多糖的分离纯化、结构表征与粘附性能研究. 华南理工大学. 2014. 博士毕业论文.

4、杨小军、攀援植物粘附系统的功能化形态与结构. 华南理工大学. 2016. 博士毕业论文.

5、Steinbrecher T, Beuchle G, Melzer B, et al. Structural development and morphology of the attachment system of Parthenocissus tricuspidata. Int J Plant Sci 2011, 172: 1120-1129.

6、Deng WL. Tendril, adhesive disc and super adhesive effect of climbing plant. Available from Nature Precedings (2008)

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