《爬山虎的腳》科學(xué)版番外

□中國科普博覽

小學(xué)語文四年級(jí)課本上，葉圣陶先生的文章《爬山虎的腳》激發(fā)了多少孩子那顆“科學(xué)心”。文章這樣描述爬山虎：“原來爬山虎是有腳的，爬山虎的腳長在莖上。莖上長葉柄的地方，反面伸出枝狀的六七根細(xì)絲，每根細(xì)絲像蝸牛的觸角。細(xì)絲跟新葉子一樣，也是嫩紅的。這就是爬山虎的腳?！?/p>

吸盤——爬山虎的“腳”

爬山虎又名爬墻虎、地錦、飛天蜈蚣等，為葡萄科爬山虎屬，是大型多年生落葉木質(zhì)藤本攀援植物。作為一種攀援植物，借助它物攀附向上生長是爬山虎這類植物的生存技能。

爬山虎的吸盤

而在攀援植物大家族中，植物們又有各種不同的攀援方式，有的通過枝條彎曲上升進(jìn)行纏繞；有的把自己的花、葉、莖變態(tài)為卷須；還有的植物進(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，就為了讓自己實(shí)現(xiàn)“飛檐走壁”的夢想。爬山虎的卷須就由莖變態(tài)而來，當(dāng)遇到可以攀爬的平面時(shí)，卷須頂端和尖端會(huì)發(fā)育成吸盤，通過吸盤的吸附來向上攀援，尋找生長空間。

卷須和吸盤就像是爬山虎的“手”和“腳”。手腳并用，無論是巖石、墻壁還是樹木，爬山虎均能牢牢吸附，不在話下。

爬山虎別稱為巴山虎、紅絲草、爬墻虎等，屬于大型多年生落葉木質(zhì)藤本植物，花期為5-8月。

最早觀察爬山虎的還要數(shù)達(dá)爾文

達(dá)爾文在觀察弗吉尼亞山葡萄（也就是爬山虎）卷須運(yùn)動(dòng)的過程中，他發(fā)現(xiàn)，有的植物卷須纏住枝條后會(huì)自己撤回，而當(dāng)碰到像墻壁這樣的平面時(shí)，才把所有的須枝向它彎曲，稀疏地鋪開，使它們的鉤狀頂端的側(cè)面與它接觸。

大約兩天左右，卷須頂部會(huì)膨脹，形成一種可以牢固吸附的“小墊子”，這就是我們所說的“吸盤”了。

沒有吸附于任何物體的卷須，會(huì)在一兩個(gè)星期后枯萎脫落。達(dá)爾文提出，爬山虎的吸盤是不會(huì)主動(dòng)發(fā)育的，除非受到一定的外在刺激，例如暫時(shí)性地與一些物體進(jìn)行接觸。

圖自《攀援植物的運(yùn)動(dòng)和習(xí)性》作者：達(dá)爾文

吸附力超強(qiáng)的爬山虎吸盤

達(dá)爾文發(fā)現(xiàn)，一株具有10年以上樹齡的成熟爬山虎小枝僅留有一個(gè)吸盤與基底接觸，在小枝上懸掛兩磅重物（重力約為8.9牛頓）的條件下，吸盤仍然能夠牢牢地吸附在基底表面而不脫落。

科學(xué)家們對(duì)爬山虎的吸盤吸附力做了詳細(xì)測量。一個(gè)成熟吸盤的平均質(zhì)量約為0.0005克，與基底的吸附接觸面積平均值也只有1.22平方毫米，而吸附力卻達(dá)13.7牛頓。

科學(xué)家通過核算得出：單個(gè)吸盤能夠支撐起自身260倍的重量，包括由莖、葉、分枝和卷須共同產(chǎn)生的重量；而吸盤能夠承載的最大拉力是自身重量的280萬倍。這是一個(gè)非常驚人的數(shù)據(jù)。

大家都知道，壁虎的吸附力已經(jīng)很厲害了，能夠攀爬甚至倒掛在各種墻面上，然而成熟吸盤能夠承受的吸附力是壁虎腳的112倍。

此外，根據(jù)吸盤的接觸面積和吸附力粗略估計(jì)，由模仿吸盤設(shè)計(jì)出的“仿生手掌”的一根手指尖，就能通過吸附支撐起一個(gè)114公斤的人。

一個(gè)吸盤已經(jīng)非常強(qiáng)大了，然而爬山虎的吸附系統(tǒng)同時(shí)擁有多個(gè)吸盤，再加上卷須的螺旋狀結(jié)構(gòu)作為“外掛”，讓爬山虎能夠在墻面上不懼重力，垂直攀援，經(jīng)受得住狂風(fēng)的吹刮與暴雨的沖刷。

吸盤是怎么長出來的，怎么吸上的

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，爬山虎卷須上的搜尋枝具有很強(qiáng)的基底識(shí)別能力，可以感知出基底表面是否能讓它們牢固吸附。未成熟的吸盤在接觸刺激后，產(chǎn)生了一系列復(fù)雜的細(xì)胞分裂和擴(kuò)大過程，同時(shí)表皮和表皮下的細(xì)胞會(huì)積聚一種黏性物質(zhì)，并通過細(xì)胞壁從表皮細(xì)胞中分泌出來。

這種黏液會(huì)讓表皮破裂，分泌出的黏液使吸盤對(duì)支持物產(chǎn)生黏性，最終令吸盤和基底黏結(jié)在一起。

在完全吸附完畢的吸盤中，流動(dòng)的黏液像是“雙面膠”似的，占據(jù)了表皮細(xì)胞內(nèi)部區(qū)域的所有空隙，也占據(jù)了表皮細(xì)胞與基底之間的空隙。

爬山虎吸盤的排列模型圖

通過顯微鏡觀察，人們還發(fā)現(xiàn)了一些奇特的吸盤微觀結(jié)構(gòu)。這些海綿狀多孔結(jié)構(gòu)有利于黏液的流動(dòng)和傳送，并能顯著增強(qiáng)吸盤和基底之間的吸附作用。

當(dāng)吸盤穩(wěn)固地吸附后，卷須會(huì)開始卷曲、變厚并木質(zhì)化，這才使得爬山虎的卷須和吸盤都有一個(gè)相當(dāng)大的保持力。

此外，科學(xué)家們還觀察到，爬山虎吸盤會(huì)沿著卷須主軸進(jìn)行交替排列，這不僅遵循建筑學(xué)中的對(duì)稱與非對(duì)稱規(guī)則，而且和表面物理化學(xué)中的穩(wěn)定吸附原理一致。爬山虎吸盤沿著卷須主軸的交替排列，就是一個(gè)符合結(jié)構(gòu)力學(xué)的經(jīng)典例子。更奇妙的是，吸盤、卷須和莖的幾何相關(guān)性和城市管網(wǎng)中的支管和主管分布有著驚人的相似性。

圖a爬山虎吸盤掃描電子顯微鏡圖片圖b吸盤表面的指狀結(jié)構(gòu)圖c、圖d海綿狀的吸盤大孔結(jié)構(gòu)