环球信息:王莲叶子为什么能托起人？其实，它一直在“背后”努力

2022-08-18 18:08:13 来源：科普中国

“水上飘飘一叶莲，真人宴坐稳于船”。小时候看到这句诗时，心里总是纳闷，哪有什么莲叶能有那么大，可以坐得下一个人啊，这肯定是老师上课说的“夸张”的修辞手法，直到有一次在植物园里看到了王莲。

虽然诗句中仙人宴坐的肯定不是原产于南美的王莲，但王莲巨大的叶子却真的可以让孩童，甚至成人坐于其上。

坐在王莲叶片上的小孩图片来源：kew.org

【资料图】

那么，王莲的叶子究竟有什么奥妙，可以承受住大家意想不到的重量呢？

藏在王莲叶子背后的秘密

一直以来，王莲因其巨大的叶片和非凡的载重能力而令科学家、建筑师和艺术家们着迷。然而，王莲的叶片如何能够长到2-3米宽，并足以支撑一个小孩，甚至是成人的体重，直到现在仍然是一个谜。

最近一项发表在期刊《科学进展》上的研究回答了这个问题，研究人员发现王莲超强承重能力的奥秘或许就藏在其巨大叶片的背面。

大家平日在植物园或者新闻中看到王莲时，看到的大都是其叶片的正面，从正面看，王莲的叶片就像一个边缘上翘的巨大餐盘。在生长期时，王莲的叶子每天都会飞速地向外展开，直到完全长成，根据《中国花卉报》的报道，在空间充足的情况下，王莲单株覆盖的水域面积可达到20至50平方米。

图片：作者拍摄

如果把王莲叶片的叶柄割断，再把叶片翻个面，我们就会看到完全不同的风景，不同于叶片正面的翠绿色，王莲叶片的背面呈现紫红色，有许多坚硬的剌和呈放射网状的叶脉。

王莲叶片的背面和正面图片来源：kew.org

大家可能也猜到了，王莲叶片背后那纵横交错的叶脉正是其载人而不沉的奥秘。试想一下，如果要让一片叶片承载一定的重量而不沉没，那这片叶片肯定要具有一定的机械强度，同时生物量还不能太大(太重可就直接沉了)，王莲的叶脉就完美解决了上述两个问题。

王莲叶脉的结构图片来源：参考文献

不同于很多大家日常看到的植物，王莲叶片背面的叶脉十分粗壮，呈现板状的隆起，并且纵横交错，构成了一个个方形的小格。不仅如此，从整体上看，板状的叶脉从叶柄处向周围辐射，呈网状分布，均匀地覆盖了整个叶片，看起来就像一个很坚固的骨架。

事实上也正是如此，科学家们对这样的结构进行了现场实验和数学建模分析，发现相比于睡莲的叶片，王莲叶片的特殊结构使得它们可以在同等重量的情况下具有更高的结构强度。

对王莲的叶片结构进行数学建模图片来源：参考文献

除了较高的结构强度，王莲粗大叶脉内部还有很多空隙，充满了气体，提供了巨大的浮力。两相结合之下，让王莲拥有了载人浮于水面的能力。

大叶子并不是为了载人，而是为了生存

看到这，不知道大家是否会好奇一件事，为什么王莲要长这么大的叶片？虽说王莲的大叶子可以载人，但王莲演化出这么大的叶子肯定不是为了让大家一坐为快。

那么，王莲是怎么成为水中巨无霸的呢？这还得从它们生存的环境说起。

前面也提到了，王莲原产于南美，而热带地区物种多样性极高，并且不同物种的种间竞争也相对较强，想要在这样的环境中脱颖而出，势必就要有点独特之处。

王莲和其他植物交相辉映图片来源：powo.science.kew.org

大家都知道，植物依靠叶片来进行光合作用，但是植物的叶片不可能无止境地增加，其尺寸受到叶片机械强度的限制，长得大没啥用，如果没啥强度，那终究是雨打风吹去。

科学家们推测，王莲的结构使得它们可以用较小的生物量就长成面积巨大，并且十分坚固的叶片，从而捕获更多的阳光来进行光合作用，这或许就是它们成功的秘诀。

试想一下，在野外的池塘里，王莲那巨大的叶子迅速地长大，铺平在水面上，在水面上争夺珍贵的空间，并挡住光线，让叶片之下的其他任何植物无路可走，是不是有一种“植物恶霸”的既视感。

王莲的幼叶图片来源：BBC

其实，王莲除了个头像个“恶霸”，其身上的“装备”也让其看起来不是很良善，前面提到了其叶片背面长满了尖刺，这些尖刺让王莲刚刚冒出水面的幼叶像只生人勿近的“刺猬”，可以有效地防止鱼儿啃食叶片，这些尖刺还会随着叶片的长大，向周围“重拳出击”，让周围的植物退避三舍。

总结一下，高强度、低成本让王莲在和其他植物争夺空间和光线的“战争”中占尽优势，可能这就是植物的智慧吧。

逐渐长大的王莲叶片图片来源：plantwerkz.blogspot.com

从植物的智慧中提取知识

事实上，王莲远不止载人一个作用，人们从王莲叶片的结构中学到了很多很多，尤其是建筑师们。

1851年，英国海德公园内的一座高大建筑引发了人们的一片惊叹：“钢筋、玻璃竟竟然可以建出这么漂亮的房子”，更让人讶异的是，这座建筑的设计师居然是一位园艺师--约瑟夫·帕克斯顿。帕克斯顿平日里负责王莲的种植，有记载说帕克斯顿有一次把自己的女儿放在了王莲的叶片上，发现叶子居然毫发无损，由此便生出了灵感，完成了场馆的设计。

帕克斯顿的女儿站在王莲叶片上图片来源：virtualherbarium.org

这座场馆作为第一届世博会的举办地，获得了“水晶宫”的美誉，维多利亚女王在日记中这样写道：“透过铁门映入眼帘的是教堂的顶楼，还有那无数挥舞着的手掌、鲜花、雕像以及挤满人群的走廊。进入大殿之后嘹亮的号声，这种感觉实在毕生难忘。我感到无比激动，放眼所见，那美丽的水晶喷泉是多么神奇、多么浩大、多么辉煌，多么震撼人心。正如我后来多次向人谈到的感受，那天我的心中充满虔诚，很难有其他的仪式可以让人有这样的感受”。（注：日记内容引用自凤凰卫视的报道)

毫无疑问，王莲叶片的结构可以带给建筑师不少灵感，参考其叶片结构设计出的仿生承重结构具有更强的抗形变能力，同时还可以承受更重的重量。

参考王莲叶片设计的仿生承载结构图片来源：参考文献

看到这，大家想不想近距离感受一下王莲的魅力？考虑到王莲花朵暮开朝闭的特点，想要观赏的游客要注意开花时间哦，暑热正盛，傍晚去欣赏王莲再好不过，说不定，你也会从中获得一些灵感呢！

参考文献：

Box, F., Erlich, A., Guan, J. H., & Thorogood, C. (2022). Gigantic floating leaves occupy a large surface area at an economical material cost. Science advances, 8(6), eabg3790.

出品：科普中国

作者：EVEE

监制：中国科普博览

关键词：帕克斯顿参考文献结构强度