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你知道豆荚为何能将豆子弹射出去吗？

来源：花匠小妙招时间：2024-12-20 12:57

　　过了国庆，秋的味道更浓了。徜徉在丰收的田间地头，蓝天白云下的金黄中尽是谷物成熟的清香。心旷神怡间，你走进一片尚未及时收割的大豆田里。忽然，一阵噼啪作响，你发现几个豆荚炸裂开来，几颗豆子应声被弹射到地上。多数人都会对这种司空见惯的现象一笑置之，但细心的小伙伴一定好奇：小小的豆荚为何会有那么大的力气将“黄胖子”们扔出去呢？

　　秋天到了，又到了大豆成熟的季节（图片来源：Wikipedia）

　　大自然为植物们创造了多种多样的种子传播方式，十分有趣。比如，苍耳有钩状物，能够偷偷地钩在动物皮毛或人的衣服上，从而向远方入侵；又如翅果，它的子房壁会发育成薄翅状的果皮，可以随风遨游。总体来说，植物们传播种子的方式大致可分为三种：动物传播、风力传播和自力传播，无论何种方式，都和果实的结构与功能密切相关。作为自力传播中的佼佼者，大豆秉持着万事不求人的态度，在构造自己的豆荚时可谓费尽了心思。

　　和自力更生的大豆不同，苍耳总是偷偷地利用别人传播种子（图片来源：keys.lucidcentral.org）

　　求这孩子妈妈的心理阴影面积……（图片来源：新浪博客）

　　拿起一片豆荚，我们不难看出它的外层颜色较深，内层颜色较浅，这种颜色的差异与微观组织的构成有关。豆荚的外层是长长的厚壁活细胞，这些活细胞不但负责大豆宝宝生长所需营养物质的运输和储藏，还起着防护屏障的作用；豆荚的内层虽然也由厚壁组织纤维细胞组成，不过却是死细胞，它们像铠甲一样牢牢地包裹着大豆宝宝，尽管不消耗任何养料，却提供了最无微不至的保护。

　　科学家们利用扫描电镜、透射电镜等仪器对豆荚的截面进行了细致观测，进一步发现，豆荚内外两层的纤维方向呈垂直状态（即正交），并且都与豆荚的长度方向成45度。

　　豆荚内层（左）和外层（右）的微观结构（图片来源：文献[3]，汉字及单位为作者添加）

　　说到这儿，对复合材料略有所知的小伙伴一定会禁不住赞叹：厉害了我的豆荚哥！我们知道，人们常将两种或两种以上材料通过特殊的成型工艺结合在一起，各种材料充分扬长避短，形成高强度、高韧性、低密度的复合材料。为了使复合材料满足一定的力学性能要求，人们通常选择正交结构，即相邻两层材料的纤维方向互相垂直，如今航空、船舶、建筑等众多领域都有复合材料的广泛应用。

　　复合材料的铺层（图片来源：basalt.today）

　　不过，人类使用现代复合材料的历史只有短短数十年，在豆荚面前简直是小巫见大巫，豆荚在千万年前就造出了纤维复合材料层合结构，而且还是正交铺层的！这种结构不但是保护籽粒的坚实盾牌，还是最终将豆子弹射出去的奥妙所在。

　　金秋时节，大豆成熟，完成护卫任务的豆荚也逐渐走向枯萎。然而，在豆荚失水收缩的过程中，内外两层纤维层的收缩程度却存在很大差异，它们各自都有绕豆荚长度方向扭转45度的趋势，这就使豆荚内部逐渐积累大量的变形能。一旦能量超出承受范围，豆荚便会开裂，原本扁平的两片豆荚会反向卷曲，形成像弹簧一样的螺旋状的长条，从而将大豆宝宝发射到远方。

　　爆裂前的豆荚（左）和爆裂后的豆荚（右）（图片来源：文献[3]）

　　人类在研制弹射装置时，总会设计出一系列复杂的东东，比如传力机构、控制系统、定时器等等，然而大豆却只需简单的两片豆荚，就能实现种子的弹射，着实令人惊叹。科学研究总是源于生活又服务于生活，在感慨大自然的鬼斧神工之时，科学家们也以豆荚为师，学习它的双螺旋结构。

　　有人将豆荚的双螺旋结构应用在人工血管支架的设计中，制造出一种具有纤维复合材料层的血管支架，如此一来，就可利用自身特殊的结构实现自动弹开，从而降低手术难度。还有人研制出一种能模拟豆荚变形的柔性制动器，将膨胀系数小的金属丝与膨胀系数大的凝胶条正交铺设，当温度变化时，沿金属丝方向的凝胶仅产生微小的变形，而垂直于金属丝方向的凝胶却变形很大。

　　庄子曾说：“天地有大美而不言，四时有明法而不议，万物有成理而不说。”如今又逢丹桂飘香，小伙伴们何不放下手机和电脑，流连于花草树木间，在欣赏自然大美的同时，从习以为常的现象中参悟精妙的科学原理呢？

　　参考文献：

　　[2] Forterre Y, Dumais J. Generating helices in nature[J]. Science,2011,333(6050):1715-1716.

　　[3] Armon S, Efrati E, Kupferman R, et al. Geometry and mechanics in the opening of chiral seed pods[J]. Science,2011,333(6050):1726-1730.

　　[4] 蒋持平,刘清漪,郭乾坤,等. 豆荚弹射传播种子中的力学I:豆荚组织的多功能优化[J]. 力学与实践,2012,34(2):93-96.

　　[5] 曾羽涵,师凡迪,崔莹莹,等. 豆荚失水后自动弹射的力学原理研究[C]//第十一届全国生物力学学术会议暨第十三届全国生物流变学学术会议会议论文集. 太原:中国力学学会中国生物医学工程学会生物力学专业委员会,2015:219.

　　[6] 蒋持平,尚伟,严鹏. 豆荚弹射传播种子中的力学IV:自然大美[J]. 力学与实践,2012,34(5): 90-92.