又到秋天,你知道豆荚为何能将豆子弹射出去吗?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-10-09

大豆只需简单的两片豆荚,就能实现种子的弹射,着实令人惊叹。

  过了国庆,秋的味道更浓了。徜徉在丰收的田间地头,蓝天白云下的金黄中尽是谷物成熟的清香。心旷神怡间,你走进一片尚未及时收割的大豆田里。忽然,一阵噼啪作响,你发现几个豆荚炸裂开来,几颗豆子应声被弹射到地上。多数人都会对这种司空见惯的现象一笑置之,但细心的小伙伴一定好奇:小小的豆荚为何会有那么大的力气将“黄胖子”们扔出去呢?

图1 - 秋天到了,又到了大豆成熟的季节(图片来源:Wikipedia)

秋天到了,又到了大豆成熟的季节(图片来源:Wikipedia)

  大自然为植物们创造了多种多样的种子传播方式,十分有趣。比如,苍耳有钩状物,能够偷偷地钩在动物皮毛或人的衣服上,从而向远方入侵;又如翅果,它的子房壁会发育成薄翅状的果皮,可以随风遨游。总体来说,植物们传播种子的方式大致可分为三种:动物传播、风力传播和自力传播,无论何种方式,都和果实的结构与功能密切相关。作为自力传播中的佼佼者,大豆秉持着万事不求人的态度,在构造自己的豆荚时可谓费尽了心思。

图2 - 和自力更生的大豆不同,苍耳总是偷偷地利用别人传播种子(图片来源:keys.lucidcentral.org)

和自力更生的大豆不同,苍耳总是偷偷地利用别人传播种子(图片来源:keys.lucidcentral.org)

浑身苍耳

求这孩子妈妈的心理阴影面积……(图片来源:新浪博客)

 

  拿起一片豆荚,我们不难看出它的外层颜色较深,内层颜色较浅,这种颜色的差异与微观组织的构成有关。豆荚的外层是长长的厚壁活细胞,这些活细胞不但负责大豆宝宝生长所需营养物质的运输和储藏,还起着防护屏障的作用;豆荚的内层虽然也由厚壁组织纤维细胞组成,不过却是死细胞,它们像铠甲一样牢牢地包裹着大豆宝宝,尽管不消耗任何养料,却提供了最无微不至的保护。

  科学家们利用扫描电镜、透射电镜等仪器对豆荚的截面进行了细致观测,进一步发现,豆荚内外两层的纤维方向呈垂直状态(即正交),并且都与豆荚的长度方向成45度。

图3 - 豆荚内层(左)和外层(右)的微观结构(图片来源:文献[3],汉字及单位为作者添加)

豆荚内层(左)和外层(右)的微观结构(图片来源:文献[3],汉字及单位为作者添加)

  说到这儿,对复合材料略有所知的小伙伴一定会禁不住赞叹:厉害了我的豆荚哥!我们知道,人们常将两种或两种以上材料通过特殊的成型工艺结合在一起,各种材料充分扬长避短,形成高强度、高韧性、低密度的复合材料。为了使复合材料满足一定的力学性能要求,人们通常选择正交结构,即相邻两层材料的纤维方向互相垂直,如今航空、船舶、建筑等众多领域都有复合材料的广泛应用。

图4 - 复合材料的铺层(图片来源:basalt.today)

复合材料的铺层(图片来源:basalt.today)

  不过,人类使用现代复合材料的历史只有短短数十年,在豆荚面前简直是小巫见大巫,豆荚在千万年前就造出了纤维复合材料层合结构,而且还是正交铺层的!这种结构不但是保护籽粒的坚实盾牌,还是最终将豆子弹射出去的奥妙所在。

  金秋时节,大豆成熟,完成护卫任务的豆荚也逐渐走向枯萎。然而,在豆荚失水收缩的过程中,内外两层纤维层的收缩程度却存在很大差异,它们各自都有绕豆荚长度方向扭转45度的趋势,这就使豆荚内部逐渐积累大量的变形能。一旦能量超出承受范围,豆荚便会开裂,原本扁平的两片豆荚会反向卷曲,形成像弹簧一样的螺旋状的长条,从而将大豆宝宝发射到远方。

图5 - 爆裂前的豆荚(左)和爆裂后的豆荚(右)(图片来源:文献[3])

爆裂前的豆荚(左)和爆裂后的豆荚(右)(图片来源:文献[3])

  人类在研制弹射装置时,总会设计出一系列复杂的东东,比如传力机构、控制系统、定时器等等,然而大豆却只需简单的两片豆荚,就能实现种子的弹射,着实令人惊叹。科学研究总是源于生活又服务于生活,在感慨大自然的鬼斧神工之时,科学家们也以豆荚为师,学习它的双螺旋结构。

  有人将豆荚的双螺旋结构应用在人工血管支架的设计中,制造出一种具有纤维复合材料层的血管支架,如此一来,就可利用自身特殊的结构实现自动弹开,从而降低手术难度。还有人研制出一种能模拟豆荚变形的柔性制动器,将膨胀系数小的金属丝与膨胀系数大的凝胶条正交铺设,当温度变化时,沿金属丝方向的凝胶仅产生微小的变形,而垂直于金属丝方向的凝胶却变形很大。

  庄子曾说:“天地有大美而不言,四时有明法而不议,万物有成理而不说。”如今又逢丹桂飘香,小伙伴们何不放下手机和电脑,流连于花草树木间,在欣赏自然大美的同时,从习以为常的现象中参悟精妙的科学原理呢?

 

参考文献:

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