以速度著称的“植物运动员”

张唯诚

一般來说，植物在很大程度上是不动的，它们扎根在一个地方，直到死去。但事实上，植物中有许多令人瞠目结舌的“速度奇才”。

在美国南卡罗来纳湿地的某个地方，一只苍蝇落在了一块粉红色的植物表面上。在探索这块新环境时，它无意间碰了下身旁一根细毛，于是那细毛便像剑一般地竖立起来。当苍蝇又碰了第二根细毛时，那粉红色的表面突然像对巨大的植物颚一样地关闭了。这个瞬间只有十分之一秒，那只苍蝇就此了却一生。

沙盒树被称为“炸药树”，它可以把种子扔出很远，其距离相当于一个标准游泳池的长度。

茅膏菜被称为“别碰我”，它能用有粘性的卷须卷住猎物，在触碰猎物后的几秒钟内就会将复叶折叠起来……

能高速运动的植物一直吸引着人们的关注。十多年前，科学家们开始用高速数码摄影机和电脑模型研究植物的运动。逐帧分析技术和高分辨率镜头，终于给研究者们提供了一个详细观察植物运动的新途径，让大家得以看清究竟是什么给了植物如此惊人的速度。植物制造速度的机制五花八门：有可以像足球运动员一样踢出种子的装置;像长曲棍球运动员一样投掷种子的装置;还有一种植物甚至会产生热，以爆炸的方式把种子发射出去。

捕蝇草

约尔·福特尔是美国哈佛大学一名年轻的科学家。本世纪初，老师送给他一件礼物——一株捕蝇草。这种植物虽然没有肌肉，但是运动能力却令人惊奇。

福特尔很快意识到，专业优势可以帮助自己理解捕蝇草的运动。他研究的是软物质物理学，这门学问探索了某些材料（如液体、泡沫和一些生物组织）是如何改变形状的。

2005年，福特尔成为第一批依靠高速摄影机和计算机建模研究植物快速运动的研究者之一。捕蝇草的叶子是互相对着的，像一本翻开的书。利用超高速摄影机和电脑，福特尔的团队追踪到了这种叶子在弯曲时发生的微小变化，看清了叶子的特殊形状如何作用到它们的速度。

当一只苍蝇或其他猎物触发“陷阱”时，处在叶子绿色外侧的细胞会发生膨胀，而位于粉红色内侧的细胞则没有膨胀，这种差异产生的力把外表面向内推去。由于压力过大，叶子原本的凸形（向外弯曲）迅速转变成了凹形（像碗一样向内弯曲），捕蝇草便迅速闭合了它的“陷阱”。我们可以借很受欢迎的儿童玩具——橡胶炮（Rubber poppers）去理解这个动作的原理。橡胶炮是很小的橡胶半球体，可以翻转，翻转后就像一个压缩了的弹簧。由于橡胶炮翻转时储存了很多能量，也就是所谓的势能，所以在它恢复到原来的形状时，就会将储存的能量转化成了动能——运动的能量，于是就能弹得老高。同样潜在的能量，也会随着捕蝇草叶子的外表面向内表面挤压而得到储存，也会像橡胶炮一样，瞬间把这种能量转化成动能，这才是它能在十分之一秒内关闭叶状陷阱的关键。

加拿大草茱萸

在福特尔研究捕蝇草的同时，爱德华兹和丈夫带领一群年轻的研究人员正在世界最大的淡水湖——苏必利尔湖的皇家岛采集当地植物。

一个学生把头低下去嗅加拿大草茱萸的花时，注意到“有些事情发生了”。出于好奇，研究小组把这株植物带回实验室，想用拍摄视频的方法研究这种植物的行为。但无论怎样给以刺激，这种植物的运动都难以捕捉。于是爱德华兹升级了摄影机，使它每秒可以拍摄1000帧照片，但这还是不行。爱德华兹回忆道：“我觉得是摄影机出了问题。”于是，她找到当时正在威廉姆斯学院的惠特克。惠特克发现，原因仅仅是这种植物运动得太快了，摄影机无法捕捉到。

为此，爱德华兹用了一台可以每秒拍摄10000帧的摄影机，终于第一次清楚地看到了这种植物的运动机制：起初，这株植物的四个花瓣聚在一起，勉强遮盖着四个弯曲的、像臂膀一样的结构，那是从花瓣上伸出来的带有花粉的雄蕊。当肥胖的大黄蜂或者好奇的人类打扰了这株植物时，它的花瓣就会分开，从而释放雄蕊。这时雄蕊就会被弹射出去，其加速度可以达到2400g（战斗机飞行员在失去知觉前可以忍受的过载加速度大约是9g）。这时雄蕊会弹射出花粉袋（附着在每个雄蕊的顶端），于是一团花粉云便向风中或者引发了这种爆炸的物体飞去。

矮槲寄生

植物所展示的丰富运动形式和它们的速度一样令人印象深刻。例如，美国矮槲寄生的运动依靠热。这种寄生植物生长在美国西海岸松树枝的鳞茎上。当这种寄生植物需要扩张领地时，它们会以每秒20米的速度射出种子。这样的壮举是如何做到的，人们一直百思不得其解。

美国槲寄生

2015年，研究人员终于发现，那些种子是由植物自己产生的热量发射出去的。生物学家们用热成像技术研究槲寄生，这种技术能在小于一毫米的区域内测出温度的微小变化。人们发现，在槲寄生将要释放种子的大约一分钟前，它们会将温度升高大约2摄氏度。

原来，秘密隐藏在线粒体中。它是细胞中可以产生热量的结构，能导致细胞发热。细胞发热能让一种粘性凝胶发生物理性膨胀，正是这种膨胀的力量把种子爆炸式地弹了出去。

毛花矮牵牛

2018年3月，科学家们新发现了一种植物，它能够像运动员用弓弹射箭一样地将种子弹射出去。这杰出的“运动员”是毛花矮牵牛。这种花有细长的种荚，每个种荚拥有大约20粒圆盘状的种子，一种钩状物将每个种子固定在适当的位置上。

这种花在生长时，种荚会在接缝处被拉紧。当它成熟了，种荚会被拉开，里面的钩状物就会把种子甩出去。这时每粒种子会出现极快的旋转，其转速达到每分钟10万次，这个速度在动植物中可以说是最快的。有趣的是，正是这种自旋使这些种子在飞行中保持稳定。这个道理好懂，枪管内有膛线，其作用就是为了使子弹在出膛前发生旋转，以此增加子弹飞行的稳定性。

科学家称，植物的某种物理特性为机械不稳定性，有时这种不稳定性会随着植物的生长而发展，就像拉紧了的弓一样。期间植物可以储存潜在的能量，当“弓弦”被拉得足够紧的时候，它就释放能量，将势能转化为动能，于是植物就有了迅疾的反应。机械的不稳定性可以让捕蝇草的器官迅速关闭，甚至可以让一些植物跳起来。其储存和释放的能量，给植物提供了加快运动速度的途径，帮助一些植物迅速捕获昆虫，也帮助植物传播后代。相对与其他没有这种本领的植物来说，这就是一种种族优势。