出品：科普中國(guó)
作者：石暢（物理化學(xué)博士）
監(jiān)制：中國(guó)科普博覽
編者按：為了解前沿科技動(dòng)態(tài)，科普中國(guó)前沿科技項(xiàng)目推出“帶你讀懂科學(xué)頂刊”系列文章，精選權(quán)威期刊的優(yōu)秀論文，第一時(shí)間用通俗語(yǔ)言進(jìn)行解讀。讓我們透過(guò)頂刊之窗，拓寬科學(xué)視野，享受科學(xué)樂(lè)趣。
液體的傳輸為動(dòng)植物的生存和生長(zhǎng)提供了必要的水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是生命體正常運(yùn)轉(zhuǎn)不可或缺的部分。血液通過(guò)血管網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)機(jī)體中的循環(huán)，為細(xì)胞提供氧氣和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并且將細(xì)胞代謝產(chǎn)生的二氧化碳和廢物排出，維持著生命系統(tǒng)的穩(wěn)定。
植物通過(guò)葉片的蒸騰作用產(chǎn)生拉力，驅(qū)動(dòng)根部不斷地從土壤中吸收水分，并通過(guò)導(dǎo)管系統(tǒng)將其輸送到需要水分的部位，從而維持了植物體的水分平衡。蜘蛛絲能夠捕獲空氣中的霧滴或露水，并通過(guò)其表面的周期性紡錘結(jié)將水分輸送到關(guān)節(jié)處。
帶有水滴的蜘蛛網(wǎng)
（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
在動(dòng)植物體內(nèi)，液體的傳輸通常都是沿著固定的方向單向傳輸，具有單一性，那么是否存在可以沿著任意方向選擇性傳輸?shù)囊后w通路呢？
2024年6月20日，中國(guó)科學(xué)家在《Science》期刊上發(fā)表了一篇關(guān)于多肉植物若綠葉片的選擇性定向液體輸送的文章，揭示了自然界中存在的一種新的液體傳輸模式。
研究成果發(fā)表于《Science》雜志
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）
若綠是什么植物？它的液體傳輸有何特點(diǎn)？
若綠是一種景天科、青鎖龍屬多肉植物，原產(chǎn)于南非和納米比亞，以其生長(zhǎng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)而著稱(chēng)。若綠的外觀奇特，葉片小巧，排列散亂，它的分枝除了垂直方向分布外，還存在橫斜匍匐分布，在多肉植物中獨(dú)具一格。
若綠能夠博得園藝愛(ài)好者的喜愛(ài)還有另一個(gè)原因，那就是其葉片的變色屬性。在日照充足時(shí)，若綠頂部的葉片會(huì)變成紅色，為單調(diào)的植株增添了一抹光亮。
多肉植物
（圖片來(lái)源：veer圖庫(kù)）
若綠具有極大的觀賞價(jià)值，吸引著眾多多肉植物愛(ài)好者。中國(guó)科學(xué)家手里也有這樣的一盆若綠，但是這盆若綠與眾不同，因?yàn)樗鼛椭巴苯沂玖俗陨淼?“秘密”。
研究者在為若綠澆水時(shí)發(fā)現(xiàn)，液體在若綠水平分布的莖上，竟然可以選擇性地朝著莖尖或根部這兩個(gè)截然相反的方向單向流動(dòng)，這種具有選擇性的液體傳輸方式與傳統(tǒng)液體傳輸方式不同，具有重要的研究意義。
選擇性液體傳輸模式如何實(shí)現(xiàn)？
若綠的選擇性定向液體傳輸?shù)臋C(jī)制，就隱藏在它獨(dú)特的葉片結(jié)構(gòu)里。研究者利用乙醇作為液體滴在兩組不同的若綠莖上，進(jìn)行了液體傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，若綠的莖上的液體傳輸方向與葉片的凹入傾斜角相關(guān)。若綠葉片具有不對(duì)稱(chēng)的凹入結(jié)構(gòu)，即朝向莖尖的方向呈現(xiàn)出向上傾斜的凹入角，朝向根部的方向呈現(xiàn)出向下傾斜的凹入角。
當(dāng)上傾斜凹入角為32°±8.5°，下傾斜凹入角為37°±6.6°時(shí)，乙醇朝莖尖單向傳播，反方向則被有效阻擋。當(dāng)上傾斜凹入角為55°±5.2°，下傾斜凹入角為34°±4.8°時(shí)，乙醇朝根部單向傳播。
研究者還通過(guò)3D打印技術(shù)制備了仿若綠葉片結(jié)構(gòu)的陣列器件，驗(yàn)證了各向異性彎液面的理論模型，揭示了傾斜凹入角度在控制液體運(yùn)輸方向的關(guān)鍵作用。
A.若綠葉片的凹入角；B.若綠葉片水分向尖端傳輸；C.若綠葉片水分向根部傳輸；D.液體輸送距離與時(shí)間的關(guān)系；E.液體在不同表面轉(zhuǎn)運(yùn)方式的對(duì)比
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）
選擇性定向液體傳輸?shù)挠猛?/strong>
研究者基于若綠多肉葉片的不對(duì)稱(chēng)凹入角結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一系列仿生器件。例如通過(guò)引入磁性釹鐵硼材料作為填充劑，在外加磁場(chǎng)的作用下改變仿葉片結(jié)構(gòu)的傾斜凹入角度，實(shí)現(xiàn)液體的選擇性運(yùn)輸。通過(guò)機(jī)械刺激改變仿葉片結(jié)構(gòu)的間距，實(shí)現(xiàn)液體運(yùn)輸方向的切換。
若綠多肉葉片的選擇性定向液體傳輸能力的揭示，我們有望實(shí)現(xiàn)液體傳輸?shù)目芍貥?gòu)性與傳輸方向的智能化調(diào)控，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自主、長(zhǎng)距離的定向液體輸送。這一能力在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、化學(xué)反應(yīng)分析、微流控等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了極為廣闊且誘人的應(yīng)用潛力。
A-C.液體在不同仿若綠葉片器件的傳輸路徑圖
（圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)1）
結(jié)語(yǔ)
科技的進(jìn)步往往來(lái)源于生活?？茖W(xué)家們以敏銳的洞察力，從日常生活的細(xì)微之處捕捉靈感，提煉出自然界的精妙法則，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的高科技產(chǎn)品。探索不止，發(fā)現(xiàn)無(wú)限，正是這份對(duì)未知世界的好奇心與不懈追求，引領(lǐng)著我們共同領(lǐng)略自然賦予的無(wú)限智慧。我們期待更多自然的規(guī)律被揭示，用科技點(diǎn)亮未來(lái)。
參考文獻(xiàn)
1.Yang L,Li W,Lian J Y,et al.Selective directional liquid transport on shoot surfaces of Crassula muscosa[J].Science,2024.
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3.陳振,張?jiān)鲋?杜紅梅,等.仿生材料在集水領(lǐng)域應(yīng)用的研究現(xiàn)狀[J].材料工程, 2020。
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