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自然科普：植物：我不內(nèi)卷但我的須卷

來源：科普中國(guó)-科普融合創(chuàng)作與傳播

發(fā)布時(shí)間：2023-06-01

瀏覽次數(shù)：587

出品：科普中國(guó)

　　制作：張莉俊（中國(guó)科學(xué)院武漢植物園）

　　監(jiān)制：中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

　　華麗的卷草紋（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

　　湖北羊蹄甲卷須（圖片來源：作者拍攝）

　　“卷草紋”是以植物的枝蔓和花葉為主要題材，以卷曲、盤旋、纏繞花式為基本特征的圖案。雖說聽起來可能有些陌生，但在我們?nèi)粘Ｉ畹慕ㄖT窗、墻紙、地毯、刺繡、服飾上，以及餐具、瓷器上，都能看到它們用流暢的曲線展示著生命的活力。

　　卷草紋非常古老，早在公元前16世紀(jì)，邁錫尼藝術(shù)就已經(jīng)將植物卷須應(yīng)用在裝飾中，形成了最早的卷草紋。魏晉南北朝時(shí)期，隨著西域文明的傳入，卷草紋也傳入中國(guó)，并在唐朝得到盛行，因此也叫“唐草紋”。

　　敦煌壁畫中，卷草紋便占據(jù)著重要的地位。直到現(xiàn)在，卷草紋依然在裝飾界獨(dú)占鰲頭。

　　敦煌莫高窟壁畫（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

　　風(fēng)靡了幾個(gè)世紀(jì)的卷草紋，為什么仍如此受青睞？

　　原因不僅在于其圖案華美、外形飄逸，更在于其植物原型——卷須那獨(dú)特且驚人的生命力。今天就跟大家扒一扒植物卷須的來龍去脈。

　　卷須這么美，竟然是一種變態(tài)！

　　在競(jìng)爭(zhēng)激烈的大自然中，植物們?yōu)榱松娓黠@神通，為了完成開花結(jié)實(shí)、繁衍后代的使命，它們必須不停地探索適合自己的生存方式。

　　其中有這樣一類植物，它們沒有挺拔的身姿，很難獲得陽(yáng)光雨露的滋潤(rùn)。但在艱難地努力嘗試下，它們發(fā)現(xiàn)借助它物攀附向上是一種很不錯(cuò)的選擇。于是，攀援便成了這類植物的生存技能。

　　為了達(dá)到攀援的目的，植物們想了很多辦法——有的通過枝條彎曲上升進(jìn)行纏繞；有的將自己的花、葉、莖等器官變態(tài)（改變形態(tài)結(jié)構(gòu)的異常生長(zhǎng)現(xiàn)象）為卷須；還有的進(jìn)化出吸盤、不定根或刺來固定自己，達(dá)到附著向上的目的；還有一些更聰明的植物，同時(shí)具備以上多種功能。

　　不得不說，植物的聰明和堅(jiān)持真是令人敬佩！特別是姿態(tài)優(yōu)美、反應(yīng)敏捷的“卷須”，成功吸引了作者的注意。

　　菝葜的攀援刺（圖片來源：中國(guó)植物圖像庫(kù)）

　　植物卷須是攀援植物為了適應(yīng)生長(zhǎng)環(huán)境，經(jīng)過長(zhǎng)期的自然選擇而進(jìn)化成適應(yīng)于攀援生長(zhǎng)的變態(tài)結(jié)構(gòu)。它是藤本植物借以纏繞和攀援的重要器官，可以起到輔助攀援和固定植株的作用，使植物能夠延伸生長(zhǎng)到光照、通風(fēng)良好、養(yǎng)分充足的地方。同時(shí)，卷須還能固定植株、防止倒伏或被風(fēng)吹斷。

　　卷須看著都差不多，但來源卻不同

　　植物卷須的研究可以追溯到達(dá)爾文時(shí)代。達(dá)爾文認(rèn)為，植物卷須可能來源于各種各樣的器官結(jié)構(gòu)，包括花序、葉、莖。經(jīng)過多年來科學(xué)家們的觀察和研究，他的推測(cè)基本都應(yīng)驗(yàn)了。

　　植物不同變態(tài)來源的卷須（圖片來源：參考文獻(xiàn)1）

　　那么，這幾種不同變態(tài)來源的卷須都有哪些特征呢？

　　1、花序變態(tài)來源的卷須

　　花序變態(tài)來源卷須的植物常見于葡萄科、西番蓮科、花須藤科、無患子科、廖科、夾竹桃科、車前草科和桔?？频?。

　　花序變態(tài)來源卷須的植物，早期無卷須，進(jìn)入生殖期后卷須才會(huì)發(fā)育，比如葡萄。專家基于一份矮化葡萄無卷須突變體材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其卷須被替換為花序，這證明葡萄卷須為花序的變態(tài)器官。

　　而且，葡萄中的卷須一般有2-3個(gè)分叉，花序和卷須著生于新梢的同一位置，與葉對(duì)生?；ㄐ?、卷須、新梢是同源器官，環(huán)境條件和某些化學(xué)物質(zhì)會(huì)促使三者之間相互轉(zhuǎn)化，在葡萄植株上可看到各種花序和卷須的過渡體。

　　葡萄的卷須來源于花序變態(tài)（圖片來源：中國(guó)植物圖像庫(kù)）

　　2、葉變態(tài)來源的卷須

　　葉變態(tài)來源卷須的植物常見于豆科、菊科、紫葳科、罌粟科、毛茛科和花荵科等。

　　由葉變態(tài)來源卷須的植物中，豆科的豌豆被研究得最為清楚。豌豆葉片屬于復(fù)葉，復(fù)葉末端的小葉變態(tài)形成卷須。因此，較容易判斷其卷須為葉片來源的變態(tài)器官。

　　研究人員找到了豌豆發(fā)生卷須現(xiàn)象的關(guān)鍵調(diào)控子——HD-ZIP Ⅰ，它通過抑制葉片舒展，從而使葉子變態(tài)發(fā)育形成卷須。此外，科學(xué)家們通過實(shí)驗(yàn)證明，可以通過該基因來調(diào)控豌豆卷須的發(fā)生，從而推測(cè)出豌豆的卷須進(jìn)化產(chǎn)生跟該基因的獲得相關(guān)。

　　豌豆的卷須來源于葉變態(tài)（圖片來源：中國(guó)植物圖像庫(kù)）

　　3、莖變態(tài)來源的卷須

　　莖變態(tài)是被子植物卷須最為常見的形式，植物莖變態(tài)卷須分多次獨(dú)立進(jìn)化產(chǎn)生。

　　莖變態(tài)卷須植物常見于：番荔枝科、鐵青樹科、茶茱萸科、夾竹桃科、馬錢科，薔薇類植物下屬的各個(gè)目幾乎都含有莖變態(tài)卷須的代表植物。

　　2005年，科學(xué)家們?cè)?342份黃瓜材料中發(fā)現(xiàn)了唯一的無卷須黃瓜。在它的葉腋處，本來應(yīng)該生長(zhǎng)卷須的位置，長(zhǎng)出變態(tài)側(cè)枝替代了正常卷須，其側(cè)枝的末端還保留了卷曲的特征。

　　除無攀爬能力，這個(gè)黃瓜的其他器官均正常。研究人員克隆了控制卷須的身份基因TEN，表型觀察發(fā)現(xiàn)TEN的缺陷卷須由莖、雄花、一片或幾片葉(葉柄卷曲)構(gòu)成，證明黃瓜卷須為側(cè)分枝的變態(tài)器官。該研究成功論證了黃瓜卷須的同源器官是側(cè)枝。

　　黃瓜卷須來源于莖變態(tài)（圖片來源：中國(guó)植物圖像庫(kù)）

　　植物卷須為花序變態(tài)、葉變態(tài)和莖變態(tài)，分多次獨(dú)立進(jìn)化而成。這種親緣關(guān)系很遠(yuǎn)、卻各自獨(dú)立演化出了功能相同的器官，或者因適應(yīng)相似的生活方式，演化出相似的形態(tài)的進(jìn)化方式，稱為“趨同進(jìn)化”。卷須即是植物學(xué)中，研究趨同進(jìn)化的理想器官。

　　如何區(qū)分各種卷須？

　　首先，看著生位置。若卷須腋內(nèi)有分枝或開花，則為葉卷須（它在葉著生的位置），若生于葉腋位置則肯定是莖卷須或花序卷須。

　　花序卷須的著生位置與花序相同，均著生在葉的對(duì)面，排列方式與花序也基本相同，如葡萄的卷須。南瓜的莖卷須則位于葉腋處。

　　其次，看形態(tài)。葉卷須著生在本來著生葉子的部位，常常是葉子的一部分的變態(tài)，有的還殘留有葉的一些基本特征，如腋部有芽、托葉、葉片。例如：豌豆，一部分葉片和葉軸變態(tài)成卷須，而留有未變態(tài)托葉和一部分葉片；菝葜，托葉變態(tài)成卷須，葉片還在。

　　炮仗花的卷須則是由其三出羽狀復(fù)葉的先端小葉變態(tài)形成三叉絲狀卷須。而莖卷須著生在本來著生芽或葉腋的部位，是莖的變態(tài)，具有殘留莖的一些基本特征，如分支方式、退化的葉片等。如葡萄科的烏蘞莓，合軸分枝，其卷須也是合軸分枝，有小鱗片。

　　烏蘞莓的卷須合軸分枝（圖片來源：中國(guó)植物圖像庫(kù)）

　　卷須運(yùn)動(dòng)觀察的開山鼻祖——達(dá)爾文

　　達(dá)爾文在《攀援植物的運(yùn)動(dòng)和習(xí)性》一書中，詳細(xì)描述了10個(gè)科27種卷須植物的運(yùn)動(dòng)方式。

　　首先，植物會(huì)把它的卷須擺在易于行動(dòng)的位置，如果卷須放置的位置有所移動(dòng)時(shí)，它會(huì)受到重力的影響而糾正自己。有的向光彎曲，有的背光彎曲，有的對(duì)光沒有任何反應(yīng)，應(yīng)該是哪種有利選擇哪種方式。

　　若干天內(nèi)，植物的卷須或節(jié)間，或二者會(huì)共同產(chǎn)生穩(wěn)定的自發(fā)旋轉(zhuǎn)。

　　卷須一旦碰到了某個(gè)物體，便會(huì)迅速且牢固地纏繞它。卷須纏住物體之后，在若干小時(shí)中，它會(huì)收縮成螺旋，把莖向上拉，并且做成一個(gè)完美的彈簧。

　　之后，卷須會(huì)靠著攀援物生長(zhǎng)，不久變得非常強(qiáng)固和耐久。到此，卷須已經(jīng)完成它的工作，并且完成得很漂亮。

　　達(dá)爾文真的很了不起，100多年前就指出植物也有運(yùn)動(dòng)能力。但是，植物只會(huì)在運(yùn)動(dòng)對(duì)它們有利時(shí)，才能獲得且表現(xiàn)出這種能力。由此，了不起的達(dá)爾文無可爭(zhēng)辯地成為了該領(lǐng)域的開山鼻祖。

　　達(dá)爾文好像有一雙特別神奇的手，但凡他觸碰過的領(lǐng)域，都布滿了生命的奧妙。

　　植物卷須的“魔法”——向觸性

　　達(dá)爾文在觀察西番蓮卷須向支柱快速?gòu)澢\(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，卷須的末梢接觸到支柱后，在20～30s內(nèi)就能激發(fā)出明顯的彎曲來。他認(rèn)為，這樣快速的運(yùn)動(dòng)不僅僅是向光性生長(zhǎng)的機(jī)理就能解釋的。

　　根據(jù)對(duì)一些敏感植物中所作的零星觀察，他大膽地提出卷須的向觸性運(yùn)動(dòng)是靠動(dòng)物中已發(fā)現(xiàn)的電波傳遞和原生質(zhì)收縮來實(shí)現(xiàn)的，然而這個(gè)推測(cè)受到了當(dāng)時(shí)植物生理界權(quán)威的強(qiáng)烈反對(duì)，他們認(rèn)為：植物沒有神經(jīng)肌肉的結(jié)構(gòu)，又如何會(huì)執(zhí)行這類機(jī)制呢？

　　事實(shí)上，攀援植物具有形態(tài)可塑性和向觸性運(yùn)動(dòng)的行為生態(tài)學(xué)特征，也就是說，攀援植物為了獲得更多的光照可以主動(dòng)改變形態(tài)，隨卷須的方向生長(zhǎng)、攀附于其他物體上。

　　形態(tài)可塑性有利于增強(qiáng)攀援植物的攀附能力，而向觸性運(yùn)動(dòng)則確保了攀援植物能夠順利找到合適的支持物。那么，向觸性的秘密又是什么呢？

　　在20世紀(jì)90年代，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)婁成后教授等人以絲瓜為研究對(duì)象，對(duì)植物的攀援行為進(jìn)行了研究。他們認(rèn)為絲瓜卷須的向觸性運(yùn)動(dòng)具有方向性，而方向性的產(chǎn)生是由電信號(hào)傳遞和原生質(zhì)收縮實(shí)現(xiàn)的。乙酰膽堿(ACh)在這個(gè)過程中充當(dāng)著“信使”作用。

　　ACh作為一種神經(jīng)遞質(zhì)廣泛分布于動(dòng)物神經(jīng)-肌肉接頭上，起著傳遞神經(jīng)信號(hào)，誘發(fā)肌肉動(dòng)作電位的作用。在植物中，ACh也扮演著相似的作用。

　　ACh和膽堿能系統(tǒng)的其它成員在植物界廣泛分布，存在于植物的各個(gè)器官中，尤其是頂芽、幼葉、根尖等幼嫩器官中，含量最高。它們?cè)谥参锏亩喾N行為(生長(zhǎng)、發(fā)育、運(yùn)動(dòng)、代謝等)上發(fā)揮著調(diào)節(jié)作用。

　　婁成后等人的早期研究還發(fā)現(xiàn)，在植物細(xì)胞內(nèi)存在類似于動(dòng)物肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的肌動(dòng)球蛋白(微絲)、微管蛋白、力蛋白、動(dòng)蛋白等結(jié)構(gòu)。以上使得植物組織具有了執(zhí)行電信號(hào)傳遞與原生質(zhì)收縮的基本結(jié)構(gòu)。

　　圖片來源：參考文獻(xiàn)5

　　攀援植物尖端敏感的卷須或頂芽在尋找陽(yáng)光的過程中自發(fā)的回旋轉(zhuǎn)頭，當(dāng)它接觸到附近的支柱，ACh便與受體結(jié)合，產(chǎn)生電生理信號(hào)，電信號(hào)向植物下段腹部組織傳遞，使得肌動(dòng)球蛋白(微絲)、微管蛋白等原生質(zhì)收縮，促使卷須朝向支柱彎曲，這樣攀援植物就順利找到了攀附對(duì)象。

　　卷須受到各界的關(guān)注和歡迎！

　　大家已經(jīng)知道卷須的勃勃生機(jī)成就了卷草紋圖案的活力之美，為裝飾藝術(shù)做出了巨大的貢獻(xiàn)。此外，作者還發(fā)現(xiàn)，卷須也是攝影界的寵兒，攝影大師們對(duì)卷須真是百般喜愛，卷須自然流暢的線條以及伸縮的張力與活力特別能引發(fā)人對(duì)生命的思考。

　　照片《植物環(huán)》拍攝的是西番蓮卷須，鏡頭下優(yōu)美的幾何形狀，使這張單色照片在眾多參賽作品中脫穎而出。該作品在英國(guó)的年度國(guó)際花園攝影師2020年微觀藝術(shù)攝影大賽中獲得第一名。

　　植物環(huán) （圖片來源：Bruno Militelli）

　　在中國(guó)第一位獲得四大國(guó)際專業(yè)類自然攝影賽事“大滿貫”的微距攝影師——袁明輝的作品中，也有很多卷須類題材，其中《自然的和聲》被英國(guó)自然博物館永久收藏。

　　《自然的的和聲》雨后的葡萄藤（圖片來源：袁明輝）

　　除了美學(xué)領(lǐng)域，卷須還在材料科學(xué)上得到了應(yīng)用。2019年，《Science》發(fā)表了一篇文章：黃瓜卷須啟發(fā)的可編程人工肌肉。MIT的研究人員由黃瓜卷須啟發(fā)，找到了模擬這種卷繞和拉伸的方法來產(chǎn)生可伸縮纖維，當(dāng)拉伸到其原始長(zhǎng)度的幾倍時(shí)，自然形成一個(gè)緊密的線圈。