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水和酒精在这种国宝植物上往不同方向流,我国科学家破解原理后登上《科学》

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撰文 七君

在南美洲的智利和阿根廷的一些海岸边,长着一种神奇的树——智利南洋杉(Araucaria araucana),它的技能树在整个自然界都可以说是独一无二。


智利南洋杉(Araucaria araucana)。图片来源:wikimedia

就拿外貌来说,这种树明明属于松柏,却长得像多肉。它的针叶很粗很大,要上树的猴子可能忍不了,因此也被戏称为“猴迷树”(monkey puzzle tree)。

其次,智利南洋杉还很硬。这是因为它的老家经常遭雷劈,而雷电容易引发山火,因此那里的树普遍皮厚,它们通过这种方式来适应雷劈后的火灾。另外,智利南洋杉还很直,因为树干挺拔,智利南洋杉的木材还曾被当作桅杆。


智利南洋杉(Araucaria araucana)。图片来源:wikimedia

除了粗大硬直以外,智利南洋杉还非常长。一方面,它可以长到40米高,而在另一方面,它很长寿,单株能活超过1200岁;而作为物种,智利南洋杉在地球上已经存在了2亿年了,曾遍布全球,而它的长相也没有发生巨变,因此常常被叫做“活化石”。恐龙它们也是见过的。也因为古老,它们常常被拿来当背景道具,出现在恐龙的艺术作品中。

在智利的原住民马普切人的祭坛上,智利南洋杉代表着丰收和生殖力。1976年,智利宣布智利南洋杉为“国家遗迹”,使其成为了智利的国树。


智利南洋杉雌树的大孢子叶球。图片来源:wikimedia

因为寿命长,智利南洋杉到了30-40岁才会生 baby。雌树会开花,长出大孢子叶球,雄树能上粉。授粉成功的话,雌树的大孢子叶球就会长出类似于松果的果子。

它们的种子在当地叫做 piñones,是一道美味,可以烤着吃,也可以在发酵后做成一种叫做 muday 的酒精饮料。智利南洋杉的种子据说很好吃,口感浓郁、层次丰富。


用智利南洋杉种子制作的点心。图片来源:urbanhuntress.com

实际上,第一个将智利南洋杉带到英国的英国植物学家 Archibald Menzies 和它的第一次正式会谈就发生在智利总督的餐桌上,只不过智利南洋杉的种子还没开口就被开口的 Menzies 吃掉了。因为觉得很美味,Menzies 才想到把它带回英国。后来,智利南洋杉就成了维多利亚式公园的典型造景植物。

但是,智利南洋杉迷倒的不只有美食家和植物学家,还有一大批物理学家。实际上,多年来物理学家们一直想知道,为什么水在智利南洋杉的针叶上只会往一个方向流?

大家先来看看,把水滴在智利南洋杉的针叶上会发生什么事——


图片来源:City University of Hong Kong

最近,我国的学者找到了这个谜题的解释,他们把研究结果发表在今年的《科学》(Science)上。香港城市大学的工程学家王钻开的团队发现,液体在智利南洋杉上的主动定向流动靠的是毛细现象,而液体在智利南洋杉上具体怎么流,不仅和它的叶片的特殊结构(比如鳞片的间距和角度)有关,还取决于液体的表面张力。

不过,能够在不花力气的情况下定向“输液”的生物并不是只有智利南洋杉一种。


翼状猪笼草(Nepenthes alata)。图片来源:pixabay

比如,翼状猪笼草(Nepenthes alata)的“猪笼”开口(peristome)上的毛细结构也能够有效地定向引导水流。有趣的是,如果把猪笼草倒过来,水就无法上升。也就是说,猪笼草的表面是一种生物“二极管”。


翼状猪笼草(Nepenthes alata)的“猪笼”开口也能在不消耗能量的情况下引导水流定向流动。图片来源:doi.org/10.1038/nature17189

一些居住在干旱地区的动物也能做到这一点。比如德州角蜥(Phrynosoma cornutum)具有能自动锁水和运水功能的皮肤。它们的皮肤能够收集水蒸气和小水滴,并且不花力气地让水自动流到它们的嘴巴里。这主要是因为它们的皮肤具有特殊的结构,这些结构形成了毛细管,利用毛细现象引水入口。


德州角蜥(Phrynosoma cornutum)。图片来源:见水印

然而,智利南洋杉和上述生物不同的一点在于,如果把表面张力比水小得多的乙醇(酒精)倒在智利南洋杉针叶上,它也只往一个方向流,而且是水的反方向。如果把液滴想像成气球,那么表面张力类似于液体的“弹力”,显然智利南洋杉能够区分液体的“弹性”。


在智利南洋杉针叶上,酒精(红)往前流,水(蓝)往后流。图片来源:City University of Hong Kong

换言之,智利南洋杉是世界上首个被发现能够让不同液体自动朝不同方向定向流动的天然物质。王钻开指出,这是人类首次记录到的能够对不同液体实现定向运输的材料。他还表示,水和酒精流向不同这一点令人讶异,因为传统理论认为,液体在表面的流动方向主要是由材料表面,而不是液体本身的性质决定的。

王钻开的团队还模拟智利南洋杉,设计了同款材料,水和酒精可以在上面定向移动,就像在智利南洋杉上一样。


王钻开(左)和同事研发了模拟智利南洋杉的仿生材料。图片来源:City University of Hong Kong

利用这种仿生材料,他们还开发出了高级玩法。如果把酒精和水混合,混合液的流向取决于酒的“烈度”。酒精浓度小于10%,这种淡酒还是会向后流;酒精含量超过40%时就会往前流了。更有意思的是,酒精浓度在10%-40%之间的酒水会同时往两个方向流。


在模拟智利南洋杉的仿生材料上,低表面张力的液体(红色)往前跑,高表面张力的液体往后跑。图片来源:City University of Hong Kong

王钻开表示,这是人类首次在同一表面上实现对不同液体的定向运输,并成功解决了1804年来材料科学的一个大问题。看来“猴迷树”的昵称颇有先见之明,对于地球上的两脚“猴儿”来说,它身上长着不少答题得金币的谜团。

不过,研究者们并不知道智利南洋杉演化出这种“御水术”的目的是什么,有可能是单纯地为了将水和其他杂质分离。


智利南洋杉(Araucaria araucana)。图片来源:pixabay

不幸的是,这种帮助人类解决了科学难题的粗大硬长生物,却由于人类活动而濒危。

实际上从1990年开始,智利就禁止开发智利南洋杉,只有土著居民被允许采集和使用死掉的智利南洋杉木头。而智利南洋杉也受到《濒危野生动植物物种国际贸易公约》(CITES )的保护。

但是这些举措并没有遏制智利南洋杉的消失势头。联合国环境规划署的世界保护监测中心曾经利用卫星数据对25年里智利南洋杉的分布情况进行了调查,发现从1977年开始,64%的野生智利南洋杉森林消失。

2013年,智利南洋杉被世界自然保护联盟(IUCN)列为濒危级植物。现在,野生的智利南洋杉只分布在智利和阿根廷的安第斯山脉上的不到400平方千米的山坡上。


智利南洋杉在1亿年前曾遍布全球,但现在却濒危。

虽然在野外已经很少见了,但智利南洋杉是很受欢迎的景观植物,在世界各地的许多庭院里能看到它们的身影,仿佛它们从马普切人的祭坛来到了更大的世界的祭坛上,用它们粗大硬直长的维管束树立起了人类崛起之前的时代的墓碑。

智利南洋杉:我戳猴,人贱不戳。

更多精彩内容,请翻开《万物》杂志,寻找答案!


封面来源:wikimedia

参考资料:

https://docs.qq.com/doc/DVGtzVWhIWFNHZkdU

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