辣椒越皺，辣度越高？真相在這里！

其實(shí)和人會(huì)衰老、面部產(chǎn)生皺紋一樣，植物因?yàn)楦鞣N各樣的原因，也會(huì)在表面產(chǎn)生褶皺。辣椒表面的褶皺便吸引了科學(xué)家們探索其中的奧秘。

圖庫(kù)版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

01

辣椒表面褶皺的形成原因

辣椒因?yàn)楦稍锂a(chǎn)生褶皺是日常生活中常見的現(xiàn)象，但是如果要細(xì)細(xì)分析為什么會(huì)產(chǎn)生這樣復(fù)雜的褶皺，并不是一件簡(jiǎn)單的事情。

近期，我國(guó)科學(xué)家利用數(shù)學(xué)物理等相關(guān)的知識(shí)，進(jìn)行了環(huán)形核殼結(jié)構(gòu)物質(zhì)表面復(fù)雜形貌的演化實(shí)驗(yàn)與一系列的理論計(jì)算來(lái)解釋辣椒表面褶皺的成因。

環(huán)形核殼結(jié)構(gòu)辣椒。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

隨著不斷的生長(zhǎng)，很多辣椒長(zhǎng)成了彎曲的環(huán)形結(jié)構(gòu)，再加上辣椒內(nèi)部空心，研究者將辣椒歸類為環(huán)形核殼結(jié)構(gòu)物質(zhì)。

研究者表示辣椒表面的褶皺受到很多內(nèi)在和外在因素的共同影響。而幾何結(jié)構(gòu)是影響辣椒表面褶皺的重要物理因素。

在幾何結(jié)構(gòu)中，環(huán)形核殼結(jié)構(gòu)物質(zhì)的曲率是最典型的特征。環(huán)形結(jié)構(gòu)包含著變化的曲率，有正、負(fù)和零高斯曲率，這些變化的曲率會(huì)影響辣椒在生長(zhǎng)過(guò)程中形態(tài)的變化，進(jìn)而會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生辣椒表面復(fù)雜的褶皺。

圖庫(kù)版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

為了研究褶皺的成因，研究者采用了有限元的方法，將辣椒整體剝離為表層的殼單元與內(nèi)部的軟芯單元。

由于在辣椒生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生脫水等行為，因此會(huì)導(dǎo)致辣椒表面和內(nèi)部的力學(xué)性能不同，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的彎曲形變，發(fā)生表面層和基底的應(yīng)變失配。在辣椒的環(huán)面結(jié)構(gòu)中，曲率是不斷變化的，由此會(huì)導(dǎo)致辣椒整體的應(yīng)力分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致辣椒對(duì)稱破壞?？偨Y(jié)說(shuō)來(lái)，就是辣椒內(nèi)外受力不同，在內(nèi)外結(jié)構(gòu)的拉扯中，辣椒就漸漸改變了形狀。

我們到此就解決了辣椒為什么會(huì)隨著干燥發(fā)生形變這個(gè)問(wèn)題，但是不同的辣椒，褶皺各不相同。要解決這個(gè)問(wèn)題，還得接著分析辣椒的結(jié)構(gòu)。

通過(guò)非線性環(huán)殼力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)物體更容易在內(nèi)環(huán)形成褶皺，而小孔的環(huán)形結(jié)構(gòu)中褶皺更容易在外環(huán)形成。同時(shí)，物體的硬度也會(huì)影響形貌。在較軟的環(huán)殼中，容易產(chǎn)生酒窩狀的凹陷形貌。在較硬的環(huán)殼中，更容易產(chǎn)生雙向條紋或螺旋狀的褶皺形貌。

這個(gè)研究結(jié)果不僅僅解決了辣椒褶皺的問(wèn)題，研究者構(gòu)建的理論模型也適用于其他形狀略有不同的東西上，可以幫助預(yù)測(cè)物體在不同條件下形貌的變化，有助于指導(dǎo)基于褶皺形貌調(diào)控的產(chǎn)品形狀設(shè)計(jì)工作的開展。

環(huán)形核殼結(jié)構(gòu)形態(tài)演變模擬圖。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]

02

辣椒褶皺和辣度的關(guān)系

影響辣椒辣度的重要因素是辣椒中辣椒素的含量。辣椒素含量越高，辣椒越辣。辣椒的褶皺則和辣椒中的木質(zhì)素有關(guān)，木質(zhì)素越高的辣椒越硬挺，褶皺越少，反之則發(fā)皺。

這么看來(lái)，辣椒素決定辣度，木質(zhì)素決定褶皺，好像二者各司其職，互不影響？實(shí)際上，這兩者的合成過(guò)程中，還存在著互相影響的關(guān)系。

圖庫(kù)版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

辣椒素的合成過(guò)程中需要酚類物質(zhì)。研究表明，辣椒中的過(guò)氧化物酶能將合成辣椒素的酚類物質(zhì)氧化分解產(chǎn)生木質(zhì)素的合成?？梢?，辣椒辣度和硬度是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。過(guò)氧化物酶的活性越低，木質(zhì)素的含量越低，辣椒褶皺越多，辣椒素的含量會(huì)更多，吃起來(lái)會(huì)更辣。原來(lái)，看起來(lái)飽經(jīng)滄桑的辣椒，殺傷力可一點(diǎn)沒(méi)有削減。

03

其他植物褶皺中蘊(yùn)含的秘密

像辣椒因?yàn)槊撍纫蛩刈兊酶稍镉旭薨櫟默F(xiàn)象，在其他植物的身上也有體現(xiàn)。多種多樣的植物具有不同的外形結(jié)構(gòu)，變皺的過(guò)程也帶給研究者們不同的啟示。

1. 百香果

百香果在成熟過(guò)程中，皮會(huì)逐漸變皺。研究者將百香果的起皺過(guò)程描述為手性起皺模式。利用力學(xué)模型揭示了百香果起皺過(guò)程的普適的規(guī)律，表明了褶皺形成背后的結(jié)構(gòu)-彈性機(jī)制。基于此機(jī)制，研究者設(shè)計(jì)了可以抓取物件的機(jī)器人，推動(dòng)了自適應(yīng)抓取機(jī)器人的開發(fā)。

百香果，圖庫(kù)版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

2. 荷葉

荷葉在生長(zhǎng)過(guò)程中出現(xiàn)的形貌演變激發(fā)了研究者的研究興趣。研究者構(gòu)建了可以解釋懸空葉片和漂浮葉片在不同方向微分生長(zhǎng)的薄板模型，來(lái)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)水生植物形貌的演化過(guò)程。

結(jié)果表明生長(zhǎng)在水面上的荷葉通常會(huì)出現(xiàn)彎曲的錐形，且會(huì)在荷葉的外周邊緣處長(zhǎng)出長(zhǎng)波的褶皺。而對(duì)于漂浮的荷葉，外周邊緣則會(huì)有短波的褶皺。研究結(jié)果可為仿生結(jié)構(gòu)形貌的調(diào)控提供新的思路。

荷葉，圖庫(kù)版權(quán)圖片，不授權(quán)轉(zhuǎn)載

可見，不少的生物的發(fā)展規(guī)律都可以用科學(xué)來(lái)解釋，并會(huì)為新事物的發(fā)展提供新奇的思路。你還發(fā)現(xiàn)哪些有趣的自然現(xiàn)象呢？

最后，下圖是來(lái)自上海辰山植物園的一些辣椒，歡迎大家留言猜猜看，標(biāo)號(hào)的六種辣椒中哪個(gè)最辣？

圖片拍攝：徐來(lái)

參考文獻(xiàn)：

[1] Wang, T., Dai, Z., Potier-Ferry, M. & Xu, F. Phys. Rev. Lett. 130, 048201 (2023).

[2] A chilli’s wrinkles and a cherry’s dimples explained. https://doi.org/10.1038/d41586-023-00132-y.

[3] Xu, F., Huang, Y., Zhao, S. et al. Chiral topographic instability in shrinking spheres. Nat Comput Sci 2, 632–640 (2022).

[4] 周燾. 辣椒品種資源評(píng)價(jià)和影響辣椒素含量因素的初探[D].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.

[5] Xu, F., Huang, Y., Zhao, S. et al. Chiral topographic instability in shrinking spheres. Nat Comput Sci 2, 632–640 (2022).

[6] Xu, F., Fu, C., Yang Y. et al. Water affects morphogenesis of growing aquatic plantleaves. Phys. Rev. Lett. 124, 038003 (2020).

出品：科普中國(guó)

作者：石霧遙

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

本文封面圖片及文內(nèi)圖片來(lái)自版權(quán)圖庫(kù)

圖片內(nèi)容不授權(quán)轉(zhuǎn)載