以速度著稱的“植物運動員”

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(xì)毛，于是那細(xì)毛便像劍一般地豎立起來。當(dāng)蒼蠅又碰了第二根細(xì)毛時，那粉紅色的表面突然像對巨大的植物顎一樣地關(guān)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(yuǎn)，其距離相當(dāng)于一個標(biāo)準(zhǔn)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(fù)葉折疊起來……

能高速運動的植物一直吸引著人們的關(guān)注。十多年前，科學(xué)家們開始用高速數(shù)碼攝影機(jī)和電腦模型研究植物的運動。逐幀分析技術(shù)和高分辨率鏡頭，終于給研究者們提供了一個詳細(xì)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(jī)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?xí)a(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(xué)一名年輕的科學(xué)家。本世紀(jì)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(xué)，這門學(xué)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(jī)和計算機(jī)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(jī)和電腦，福特爾的團(tuán)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(dāng)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(xì)胞會發(fā)生膨脹，而位于粉紅色內(nèi)側(cè)的細(xì)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（Rubberpoppers）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(fù)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(guān)閉葉狀陷阱的關(guān)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(lǐng)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(dāng)?shù)刂参铩?/p>

一個學(xué)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(jī)，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(jī)出了問題?！庇谑?，她找到當(dāng)時正在威廉姆斯學(xué)院的惠特克。惠特克發(fā)現(xiàn)，原因僅僅是這種植物運動得太快了，攝影機(jī)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(jī)，終于第一次清楚地看到了這種植物的運動機(jī)制：起初，這株植物的四個花瓣聚在一起，勉強(qiáng)遮蓋著四個彎曲的、像臂膀一樣的結(jié)構(gòu)，那是從花瓣上伸出來的帶有花粉的雄蕊。當(dāng)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(dá)到2400g（戰(zhàn)斗機(jī)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(tuán)花粉云便向風(fēng)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(dāng)這種寄生植物需要擴(kuò)張領(lǐng)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(xué)家們用熱成像技術(shù)研究槲寄生，這種技術(shù)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(xì)胞中可以產(chǎn)生熱量的結(jié)構(gòu)，能導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)熱。細(xì)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(xué)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(xì)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(dāng)?shù)奈恢蒙稀?/p>

這種花在生長時，種莢會在接縫處被拉緊。當(dāng)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(dá)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(xué)家稱，植物的某種物理特性為機(jī)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(dāng)“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(yīng)。機(jī)械的不穩(wěn)定性可以讓捕蠅草的器官迅速關(guān)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(lǐng)的植物來說，這就是一種種族優(yōu)勢。