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不均匀的生长如何使花朵绽放——生物策略——AskNature

来源：花匠小妙招时间：2024-12-06 18:00

close up hotograph of white flower with red stamen and green leaves

生物策略

不均匀的生长如何使花朵绽放

卡萨布兰卡百合

Andy Carstens

图片：殿村英次 / Flickr / CC BY NC - 知识共享归属 + 非商业性

修改尺寸/形状/质量/体积

许多生命系统会改变其物理特性，例如大小、形状、质量或体积。这些修改是为了响应生命系统的需求和/或不断变化的环境条件而发生的。例如，它们这样做可能是为了更有效地移动、逃避捕食者、从伤害中恢复或出于许多其他原因。这些修改需要适当的响应率和水平。修改任何这些属性都需要实现此类更改的材料、进行更改的提示以及控制它们的机制。豪猪鱼就是一个例子，它通过吸水或空气使身体膨胀并在皮肤中竖起刺来保护自己免受捕食者的侵害。

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修改位置

生命系统生存和繁殖所需的许多资源在数量、质量和位置上不断变化。生命系统面临的威胁也是如此。因此，生命系统有策略来保持对不断变化的资源的访问，并通过调整其位置或方向来避免不断变化的威胁。一些生命系统通过从一个位置移动到另一个位置来改变它们的位置。对于那些无法改变位置的物体，例如树木，它们通过原地移动来改变位置。变色龙就是兼具这两种功能的生物体的一个例子。这种生物可以从一个地方移动到另一个地方寻找食物或逃避掠食者。但它也可以呆在一个地方并旋转眼睛以提供 360 度的视野，这样它就可以在不惊吓猎物的情况下狩猎。

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Flowering plants

Plants 开花植物卡萨布兰卡百合

开花植物

被子植物分支（“容器种子”）：蒲公英、橡树、草、仙人掌、苹果

被子植物有 416 个科，包含约 300,000 个已知物种，是最多样化的植物群，它们分布在全球各地的各种栖息地。它们的特征是种子生长在子房内，而子房又包围在花中。然后花器官发育成无数种类和尺寸的水果，从枫树上简单的种子外壳到木瓜等复杂的肉质生长物。化石中已知的最古老的花 Montsechia vidalii 出现在 130 亿年前的侏罗纪时期。它们是草食动物的主要食物来源，这反过来又使它们成为食肉动物的间接食物来源。

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内容介绍战略潜力参考资料

花瓣和萼片外缘的较快生长速度会产生内部张力，导致花蕾张开并向后卷曲。

介绍

禅宗僧人、教授兼作家柴山善庆在《花不说话》中写道：

一朵花悄然绽放，

寂静中它消失了；

然而此时此地，此时此地，

整个花，整个花

世界正在绽放。

这就是花言巧语，实话实说

开花的：

永生的荣耀在这里完全闪耀。

尽管花朵沉默，但它绽放的惊人景象清楚地说明了我们看不到或听不到的许多事情正在发生。尽管如此，绽放花朵的荣耀背后的机制仍然是个谜，直到人类研究人员采取缓慢而仔细的方法来观察百合花的绽放。

战略

年轻的亚洲百合花蕾是一个绿色的豆荚，三个外部萼片包裹着三个内部花瓣。坚硬的中脉增加了萼片和花瓣中心的结构支撑。首先，花蕾被锁住，因为萼片边缘塞进花瓣中脉的凹槽中。必须产生足够的力才能打开密封。

A diagram of the parts of a flower

花的各个部分，从横截面来看。

A view of white lilies

坚韧的中脉沿着白百合的花瓣延伸。

A view of a closed bud and a partially opened one.

研究人员在花蕾的边缘标记了规则间隔的黑点，以跟踪花朵开放时它们的相对运动。

科学家们观察了一根年轻的绿芽百合茎浸入水中 4.5 天。他们沿着芽的中脉和边缘用黑点标记，以监测萼片和花瓣在不同区域生长的相对速度。在最初的四天里，花蕾变得更长、更肥（并且变白），但它没有开放。在最后的几个小时里，细胞生长在交错的萼片和花瓣褶皱上紧张，花蕾像爆米花一样爆裂开来。

这些点帮助科学家发现单个萼片和花瓣生长不均匀，从而产生内部压力。沿着中央中脉，花瓣和萼片一致延长约 10%（如沿其长度的黑点之间均匀分布 10% 所示）。但在外部边缘，增长情况各不相同。靠近基部（更靠近茎）的边缘加长了约 20%，而靠近尖端的边缘则增长了 50% 之多。科学家们推测，沿着边缘相对于中心更快的生长会产生从中间向外的拉伸效应。不均匀的张力使边缘起皱，使花瓣和萼片想要弯曲。但它们无法弯曲，直到有足够的力量克服花瓣萼锁。最终，弯曲力打破了锁，花瓣自由地向后卷曲。

为了证实他们的假设，研究人员开发了一个数学模型，该模型结合了椭圆壳中心和边缘的类似差异增长率。他们的模型显示出与实际百合中观察到的几乎相同的卷曲和边缘波纹。

潜力

虽然正如芝山善庆所指出的那样，花朵确实不会说话，但它们仍然会与我们交谈，并在整个历史上激发了艺术杰作的灵感。它们也可以激发科学灵感。

花朵开放的方式可能会刺激科学家改进应用于复杂表面的保护或反射涂层的制造。机器人领域可能会模仿开花来控制微小、精确的运动。也许有一天我们会拥有智能的、自我修复的表面，它利用不同的生长模式来融合由侵蚀或腐蚀造成的伤口。想象一下未来，皮肤培养物会自动包裹烧伤患者的四肢。花朵还能激发什么灵感？

最后更新时间：26年2023月XNUMX日

参考资料

“在这里我们研究亚洲百合开花的物理过程卡萨布兰百合。我们的观察表明，花朵开放时花瓣的边缘会起皱，这表明差异生长驱动了这些层状壳状结构的展开……我们的实验和理论推翻了之前的假设，即开花是由内层的差异生长驱动的通过提供一种性质不同的范例来突出边缘生长的作用，从而在花瓣和中脉中进行处理。这种功能形态提出了使用边界或边缘驱动而不是通常的体积或表面驱动的可展开结构的新仿生设计”（Liang et al. 2011: 5516）。