科学家新发现！揭秘多肉植物的神奇液体输运现象

出品：科普中国

作者：石畅（物理化学博士）

监制：中国科普博览

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液体的传输为动植物的生存和生长提供了必要的水分和营养物质，是生命体正常运转不可或缺的部分。血液通过血管网络实现机体中的循环，为细胞提供氧气和营养物质，并且将细胞代谢产生的二氧化碳和废物排出，维持着生命系统的稳定。

植物通过叶片的蒸腾作用产生拉力，驱动根部不断地从土壤中吸收水分，并通过导管系统将其输送到需要水分的部位，从而维持了植物体的水分平衡。蜘蛛丝能够捕获空气中的雾滴或露水，并通过其表面的周期性纺锤结将水分输送到关节处。

带有水滴的蜘蛛网

（图片来源：veer图库）

在动植物体内，液体的传输通常都是沿着固定的方向单向传输，具有单一性，那么是否存在可以沿着任意方向选择性传输的液体通路呢？

2024年6月20日，中国科学家在《Science》期刊上发表了一篇关于多肉植物若绿叶片的选择性定向液体输送的文章，揭示了自然界中存在的一种新的液体传输模式。

研究成果发表于《Science》杂志

（图片来源：参考文献1）

若绿是什么植物？它的液体传输有何特点？

若绿是一种景天科、青锁龙属多肉植物，原产于南非和纳米比亚，以其生长速度快、适应性强而著称。若绿的外观奇特，叶片小巧，排列散乱，它的分枝除了垂直方向分布外，还存在横斜匍匐分布，在多肉植物中独具一格。

若绿能够博得园艺爱好者的喜爱还有另一个原因，那就是其叶片的变色属性。在日照充足时，若绿顶部的叶片会变成红色，为单调的植株增添了一抹光亮。

多肉植物

（图片来源：veer图库）

若绿具有极大的观赏价值，吸引着众多多肉植物爱好者。中国科学家手里也有这样的一盆若绿，但是这盆若绿与众不同，因为它帮助“同胞”揭示了自身的 “秘密”。

研究者在为若绿浇水时发现，液体在若绿水平分布的茎上，竟然可以选择性地朝着茎尖或根部这两个截然相反的方向单向流动，这种具有选择性的液体传输方式与传统液体传输方式不同，具有重要的研究意义。

选择性液体传输模式如何实现？

若绿的选择性定向液体传输的机制，就隐藏在它独特的叶片结构里。研究者利用乙醇作为液体滴在两组不同的若绿茎上，进行了液体传输的实验。结果表明，若绿的茎上的液体传输方向与叶片的凹入倾斜角相关。若绿叶片具有不对称的凹入结构，即朝向茎尖的方向呈现出向上倾斜的凹入角，朝向根部的方向呈现出向下倾斜的凹入角。

当上倾斜凹入角为32°±8.5°，下倾斜凹入角为37°±6.6°时，乙醇朝茎尖单向传播，反方向则被有效阻挡。当上倾斜凹入角为55°±5.2°，下倾斜凹入角为34°±4.8°时，乙醇朝根部单向传播。

研究者还通过3D打印技术制备了仿若绿叶片结构的阵列器件，验证了各向异性弯液面的理论模型，揭示了倾斜凹入角度在控制液体运输方向的关键作用。

A.若绿叶片的凹入角；B.若绿叶片水分向尖端传输；C.若绿叶片水分向根部传输；D.液体输送距离与时间的关系；E.液体在不同表面转运方式的对比

（图片来源：参考文献1）

选择性定向液体传输的用途

研究者基于若绿多肉叶片的不对称凹入角结构，设计了一系列仿生器件。例如通过引入磁性钕铁硼材料作为填充剂，在外加磁场的作用下改变仿叶片结构的倾斜凹入角度，实现液体的选择性运输。通过机械刺激改变仿叶片结构的间距，实现液体运输方向的切换。

若绿多肉叶片的选择性定向液体传输能力的揭示，我们有望实现液体传输的可重构性与传输方向的智能化调控，进一步实现自主、长距离的定向液体输送。这一能力在生物医学检测、化学反应分析、微流控等多个领域展现出了极为广阔且诱人的应用潜力。

A-C.液体在不同仿若绿叶片器件的传输路径图

（图片来源：参考文献1）

结语

科技的进步往往来源于生活。科学家们以敏锐的洞察力，从日常生活的细微之处捕捉灵感，提炼出自然界的精妙法则，进而转化为推动社会进步的高科技产品。探索不止，发现无限，正是这份对未知世界的好奇心与不懈追求，引领着我们共同领略自然赋予的无限智慧。我们期待更多自然的规律被揭示，用科技点亮未来。

参考文献

1.Yang L,Li W,Lian J Y,et al.Selective directional liquid transport on shoot surfaces of Crassula muscosa[J].Science,2024.

2.Parker A R , Lawrence C R .Water capture by a desert beetle[J].Nature, 2001.

3.陈振,张增志,杜红梅,等.仿生材料在集水领域应用的研究现状[J].材料工程, 2020。

4.姜超,韩朋,戚桂村,等.仿生集水材料和技术的研究进展[J].石油化工, 2021。