中国科大和哈佛大学科学家揭开百合绽放之谜

2011-3-25 09:33 来源: 中国科学院
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  3月21日出版的《美国国家科学院院刊》刊登了中国科学技术大学梁海弋教授与美国哈佛大学马哈德文教授合作研究的成果,向人们展示了百合花开放的真相。他们根据摄像机记录的百合花盛开的全过程,发现白合花瓣的边缘比中间部分要长,而这一不均匀生长特性在花瓣上产生了很大的力,最终使花朵绽放。

  “传统观点认为,百合花瓣的中脉向外弯曲,或者花瓣内面生长快于外面的双金属片弯曲,这是百合花开放的根源。”梁海弋博士说,“这看起来似乎能够理解花瓣的弯曲,但是仔细观察可以发现,百合花瓣边缘在开放的过程中逐渐呈现波浪形褶皱,而这是传统观点无法解释的。”

  为此,科学家们沿着香水百合花蕾花瓣的边缘和中脉标记上等距点,以测量花朵从含苞到绽放过程中在尺寸和形状上的细微变化。他们将未开的香水百合的茎浸泡在水中,连续拍摄了4天半,直到花朵完全开放。实验发现,花瓣边缘比中脉的生长速率快40%以上。由此,科学家们认为,花瓣生长速度上的差异,使边缘受到很大的膨胀力而中间区域受到拉力;花瓣在这种不均匀生长导致的内力作用下逐步向外弯曲,在花瓣边缘上逐步产生褶皱,最终完全绽放。

  进一步的理论与数值模拟揭示了开花过程中花瓣内力的变化。科学家们惊奇地发现,在花蕾开放初期,边缘膨胀力不能有效地弯曲花瓣,但达到某个临界点后则可高效地向外弯曲花瓣,而这正是百合花快速开放所需要的。

  “1790年,德国博物学家约翰•歌德曾经在《植物的改变》一文中宣称叶子和花是同源的。确实,我们先前的工作(PNAS,2009,106,22049)表明,边缘过度生长导致了树叶呈现多种形貌。树叶和百合花同样的边缘过度生长机制是200年来第一次在植物器官层次上证实了约翰•歌德的这个预言。”梁海弋说,“自然界又一次向我们展示了一个高度进化的杰作,这为仿生学提供了一个新的设计原理。”