地球与环境

地球上最早的调光大师——植物

 

现代社会,自拍几乎是人人必会的技能,而自拍过程中光线是至关重要的,一张成功的自拍离不开恰到好处的光线,因此学会如何调光变成了现代人的必修课。调光这件事,也许我们可以向植物学习,毕竟它们可算史上最早的“调光大师”。

花瓣上的“玄机”

别看我们肉眼看到的植物的花瓣好像非常光滑,在科学家们的显微镜下,其实它们有着非常复杂的微结构。

几乎所有的植物的花瓣和叶子都具有疏水性,这得益于其表面覆盖的蜡层,而莲花的花瓣更胜一筹,它的蜡层不仅能疏水还能除尘——这就是莲花“出淤泥而不染”的奥秘。在莲花花瓣上,石蜡分子排列成一个个大约五分之一毫米高的锥形塔,一个个小塔顺着花瓣螺旋排布成复杂的分形图案。当水滴落到莲花花瓣上时,它根本无法“站稳”,而是在锥形塔间徘徊,慢慢积聚成更大的球形液滴。这些液滴在花瓣上滚动,沿途像拖地一样将花瓣上的污垢扫在一处,最后液滴带着污垢滑落到地上。

石蜡分子层的作用不仅如此。花瓣与蝴蝶翅膀一样都是姹紫嫣红、五彩缤纷的,之所以会这样,除了它们本身含有多种色素外,还与其表面石蜡分子的微结构有关。将蝴蝶翅膀放大5000倍,我们能看到一副波澜壮阔的“地形图”:“山脊”“沟壑”和“河流”应有尽有,这正是蝴蝶鳞片堆叠出的形状。鳞片堆叠出眼点、条纹和渐变等图案,在光线的强弱和角度变化下,还会折射出绚烂的色彩。花瓣也不遑多让,不同种类的花瓣的石蜡分子排列方式各不相同,分子间隙也不一样,因此,光线在花瓣上发生的折射和衍射现象也不同,这样万紫千红的鲜花就出现了。

花瓣操纵蜜蜂

花瓣的微结构为什么这么复杂,只是为了“爱美”吗?其实,花朵们之所以长得这么妖娆多姿,并不是为了让人类欣赏和赞美的,它们只是在“操纵”蜜蜂。

蜜蜂是帮助植物传粉的最大功臣,如果蜜蜂灭绝了,整个生态系统可能很快就会崩溃。而在多年的互助互利的生活中,植物们学会了用花蜜利诱蜜蜂外的更好方法,那就是“光控”——通过调光改变花色来指挥蜜蜂,这也是针对蜜蜂的视觉系统进化来的。

蜜蜂与人类相似,是三色视者,不同的是人能看到的色彩由红色、蓝色和绿色组合而成,而蜜蜂将颜色划分为紫外线、蓝色和绿色。由于这点不同,花朵倾向于变成蓝紫色,即使没有相应的色素,也会改变结构发出更多的蓝紫色。由此,一些鲜花也衍生了仅能被蜜蜂看见的美丽图案,比如在紫光灯下,向日葵、报春花和紫罗兰的花瓣上就出现了更加繁复的图案,这些图案能让蜜蜂在万花丛中一眼将它们区分出来。

蜜蜂也比人类更快地看到颜色,它们的色觉是动物世界中最快的,比人类快五倍。在高速飞行中,我们可能难以区分不同的花朵,但蜜蜂却可以看清每一朵花。而且,在蜜蜂不停移动的过程中,花瓣会根据角度而改变颜色,蜜蜂看到了这些因为变色而像在闪光的花瓣,就像接收到了花瓣发出的信号:我有甜蜜的花蜜,快来啊!于是,蜜蜂义无反顾地向着花朵飞去,花也实现了授粉的需求。

花朵确实利用光线和花色给蜜蜂发出了信号,在多年的演化下,蜜蜂也早就将这些信号与花蜜联系在了一起。英国剑桥大学的研究人员做了一个实验,他们用塑料片制作了两种人造花,一种“花”呈现出彩虹色,另一种则仿照真花发出蓝绿或蓝紫色的光晕,在这两种“花”的附近都放上了一小盏糖水,观察蜜蜂的去向。蜜蜂很快就发现,从笼子中出来后它们就可以自由“采蜜”,飞到“花”的附近就能喝上甜甜的“花蜜”。即使两种“花”的糖水完全相同,当两种“花”同时出现时,蜜蜂还是第一时间飞向了蓝紫色的“花”。

调光技术高超

植物对光的调控可谓是炉火纯青,除了操纵蜜蜂外,它还是最能“捕获”太阳光的生物。

生物物理学家格里高利·恩格尔观察过光合作用的全过程。他将一种原始的光合生物绿硫菌冷却到-195℃,在这种情况下,绿硫菌所有的生化过程都会下降到最低点,有利于对光合作用的观察。然后用波长极短、能量很高的激光脉冲对其进行照射,通过操纵激光,研究人员可以跟踪细菌光合作用过程中的能量流。

结果表明,在光能捕获的过程中,光就像一个“迷路”的孩子,穿越叶绿体“迷宫”时会沿着两条以上的路线出发,但每个方向都会撞上沿途的色素粒子,这些粒子会将一束束光波带到最终的反应区域。叶绿体的这种工作模式在植物身上比比皆是,大大增强了植物捕获光的能力,在所有照射到植物身上的光线中,植物可“锁住”大约95%的光能,并将其转换为化学能,该过程反应时间仅为千万亿分之一秒,甚至更少。