在南卡羅來納濕地的某個(gè)地方，一只嗡嗡叫的蒼蠅落在粉紅色的水面上。當(dāng)蒼蠅探索這奇怪的風(fēng)景時(shí)，它不知不覺地刷起一根像細(xì)長劍一樣豎起的小頭發(fā)。那只蒼蠅溜達(dá)著，不小心又弄傷了一根頭發(fā)。突然，粉色的表面從兩邊合攏，像一對貪婪的大嘴巴一樣啪地合上了。運(yùn)動(dòng)的模糊只持續(xù)十分之一秒，但蒼蠅永遠(yuǎn)被困住了。

馬薩諸塞州威廉斯敦威廉姆斯學(xué)院的植物學(xué)家瓊•愛德華茲說:“我們認(rèn)為植物根本不會(huì)移動(dòng)，但它們移動(dòng)的速度如此之快，用肉眼是無法捕捉到的。”

我們傾向于把植物描繪成固定的生命形式，扎根于原處，直至死亡。要形容一件無聊的事，我們可以說它“就像看著草生長”。但這是對植物生命的陳舊看法。

所有的植物都在生長，這是一種相當(dāng)緩慢的運(yùn)動(dòng)形式，但許多植物也能快速移動(dòng)。捕蠅草(Dionaea muscipula)的咬牙切齒是最著名的例子，但絕不是唯一的例子。植物學(xué)世界提供了許多同樣令人印象深刻的豐功偉績。沙箱樹(Hura crepitans)，也被稱為炸藥樹，可以把種子發(fā)射到足夠遠(yuǎn)的地方，穿過一個(gè)奧林匹克大小的游泳池;sundews (Drosera屬)有纏繞在獵物周圍的粘性卷須;觸摸不到的我-不(含羞草)在它的復(fù)合葉子在幾秒鐘內(nèi)折疊。

愛德華茲說:“植物進(jìn)化出了許多不同的運(yùn)動(dòng)方式和機(jī)制。”這種變種產(chǎn)生了巨大的植物速度譜，從根部的爬行(每小時(shí)1毫米)到種子的爆炸發(fā)射(每秒幾十米)。

最具活力的植物運(yùn)動(dòng)長期以來令研究人員著迷。

被捕蠅草快速有力的抓拍所吸引，查爾斯·達(dá)爾文稱這種植物是“世界上最奇妙的植物之一”。他在1875年出版的《食蟲植物》一書中描述了各種各樣以飛蠅為中心的實(shí)驗(yàn)。達(dá)爾文用生肉來引誘這些植物，用像人類頭發(fā)一樣精細(xì)的東西來刺激它們，甚至還測試了這些植物的陷阱對氯仿滴落的反應(yīng)。雖然達(dá)爾文并沒有完全解開捕蠅器的秘密，但他知道它的速度與樹葉的幾何形狀有關(guān)。

現(xiàn)代對快速植物運(yùn)動(dòng)的研究精確到達(dá)爾文會(huì)嫉妒的程度。十多年前，科學(xué)家們開始使用高速數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)建模來獲得植物運(yùn)動(dòng)的新視角。隨著分辨率的提高，一幀一幀的分析最終提供了一種詳細(xì)的機(jī)制，使植物的速度。

最近，有證據(jù)表明，這些機(jī)制的多樣性令人吃驚。僅在過去幾年里，研究人員就發(fā)現(xiàn)了像足球運(yùn)動(dòng)員那樣踢球、像曲棍球運(yùn)動(dòng)員那樣投球、甚至能產(chǎn)生熱量爆炸發(fā)射種子的裝置。

在達(dá)爾文工作將近150年后，對這種研究的推動(dòng)力仍然不變——對植物運(yùn)動(dòng)的迷戀。

移動(dòng)沒有肌肉

2000年代初，約爾·福特雷(Yoel Forterre)是哈佛大學(xué)(Harvard University)的博士后，當(dāng)時(shí)他的導(dǎo)師收到了一份捕蠅草作為禮物。福特雷以前從未見過這種植物，他對它沒有肌肉就能移動(dòng)的能力感到驚訝。他很快意識(shí)到，這種運(yùn)動(dòng)可以通過他自己的專長來理解:軟物質(zhì)物理學(xué)，這是一個(gè)研究液體、泡沫和一些生物組織等可變形材料力學(xué)的領(lǐng)域。

Forterre在2005年的《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)研究，這是最早利用高速攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)建模來研究植物快速運(yùn)動(dòng)機(jī)制的研究之一

位于加州克萊蒙特的波莫納學(xué)院(Pomona College)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家德懷特•惠特克(Dwight Whitaker)說:“最大的轉(zhuǎn)變是數(shù)碼高速相機(jī)。”“有了電影，你只有一次機(jī)會(huì)，”他說。所有的事情都必須提前安排好，這就是為什么導(dǎo)演們需要說‘燈光、鏡頭、動(dòng)作!“按照這個(gè)順序。”

有了這項(xiàng)新技術(shù)，F(xiàn)orterre和他的同事們可以追蹤到捕蠅器樹葉的彎曲度的微小變化，這些樹葉像書的兩半一樣面對著對方。這使得研究小組能夠看到植物的速度是如何依賴于這些葉子的特殊幾何形狀的。當(dāng)捕捉器被蒼蠅或其他任性的獵物觸發(fā)時(shí)，葉子綠色外表面的細(xì)胞會(huì)膨脹，而粉色內(nèi)表面則不會(huì)。當(dāng)外表面向內(nèi)推時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種張力。最終，壓力變得太大，原本凸出形狀的葉子迅速翻轉(zhuǎn)到凹進(jìn)去，使圈閉砰地關(guān)上，這一過程被稱為“卡扣”。

達(dá)特茅斯學(xué)院(Dartmouth College)研究捕蠅器的工程師陳子晨(音)說，理解這種彈性運(yùn)動(dòng)的一種方法是看一種流行的兒童玩具。橡皮彈是可以翻轉(zhuǎn)的小橡膠半球。像壓縮彈簧一樣，倒置的玩具有很多勢能。poppers把這些能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，當(dāng)它們恢復(fù)到原來的形狀時(shí)，就會(huì)發(fā)射到幾英尺高的空中。類似地，從捕蠅器的葉子的外表面到內(nèi)部表面的張力的勢能被轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，讓捕蠅器在十分之一秒內(nèi)砰地關(guān)上。

發(fā)射

大約在同一時(shí)間，F(xiàn)orterre在仔細(xì)研究捕蠅草，Edwards和她的丈夫在蘇必利爾湖皇家島，帶領(lǐng)一群初出茅廬的研究人員對當(dāng)?shù)刂参镞M(jìn)行實(shí)地考察。

正如愛德華茲所言，一名學(xué)生低下頭去嗅一束山茱萸(bunchberry dogwood, canadensis，加拿大山茱萸)的花，并宣布“出了什么問題”。研究小組對這種分心很感興趣，他們把標(biāo)本帶回實(shí)驗(yàn)室，用攝像機(jī)記錄下了這種行為。但不管什么觸發(fā)了山茱萸的噗噗聲，都是看不見的。于是愛德華茲升級(jí)為每秒1000幀的攝像機(jī)。

“它仍然很模糊，所以我認(rèn)為相機(jī)出了問題，”她說。

她把這個(gè)問題告訴了惠特克，當(dāng)時(shí)惠特克在威廉姆斯學(xué)院。事實(shí)證明，植物移動(dòng)太快，照相機(jī)無法捕捉到。愛德華茲訂購了一種每秒1萬幀的特殊相機(jī)——然后是直線的頂部——并且第一次清楚地看到了這種機(jī)制

四個(gè)融合在一起的花瓣勉強(qiáng)支撐著四個(gè)彎曲的、臂狀的雄蕊，它們從花瓣的懷抱中伸出來。當(dāng)被一只胖胖的大黃蜂或好奇的人類的鼻子打擾時(shí)，花瓣會(huì)分開，從而釋放雄蕊。雄蕊向外翻轉(zhuǎn)，加速度為2400 g，每個(gè)雄蕊都甩出一個(gè)附在頂端的花粉袋。(相比之下，戰(zhàn)斗機(jī)飛行員在昏倒前的重力約為9。)無論什么東西觸發(fā)了花粉的爆發(fā)，或者是風(fēng)，這種花投石機(jī)都會(huì)釋放花粉。

這一早期的工作標(biāo)志著一個(gè)蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域的開始。高速攝像機(jī)和其他高科技設(shè)備很快被用于研究更多的植物，揭示了它們速度的秘密。

例如，愛德華茲和惠特克發(fā)現(xiàn)，就像一顆正在爆炸的核彈一樣，一種名為飛沫飛沫的泥炭苔蘚會(huì)爆炸成蘑菇云。在干燥、陽光充足的日子里，小而腫脹的孢子膠囊會(huì)使苔蘚表面脫水，收縮，并將膠囊內(nèi)的氣壓提高到幾個(gè)大氣壓。當(dāng)壓力過大時(shí)，膠囊會(huì)爆炸成孢子云。在計(jì)算機(jī)建模的幫助下，兩人在2010年報(bào)道說，這種形狀不祥的爆炸使得孢子的高度是正常情況下的20倍，增加了它們捕捉到微風(fēng)的機(jī)會(huì)。

有些植物能在水下進(jìn)行如此令人印象深刻的運(yùn)動(dòng)。貍藻屬(Utricularia屬)以水生形式出現(xiàn)，從淡水中長出花朵，在水面下長出細(xì)葉柄。莖上布滿了幾毫米大小的陷阱，形狀像一個(gè)帶鉸鏈蓋的袋子。為了設(shè)置一個(gè)陷阱，植物會(huì)從袋子里抽出水，使袋子的兩邊倒過來，就像一對吸水的臉頰。當(dāng)蚊子幼蟲等獵物在捕鼠器的口中觸發(fā)毛發(fā)時(shí)，蓋子就會(huì)打開。外面的水沖進(jìn)來，把獵物拉進(jìn)去，當(dāng)蓋子合上時(shí)，獵物就被困住了。從開放到關(guān)閉，

事實(shí)上，水在植物最基本的運(yùn)動(dòng)中扮演著關(guān)鍵角色:生長。

加州大學(xué)戴維斯分校的生物學(xué)家Wendy Kuhn Silk說:“當(dāng)水進(jìn)入細(xì)胞并使其膨脹時(shí)，細(xì)胞就會(huì)生長。”“大多數(shù)生長反應(yīng)的速度取決于組織中水分的運(yùn)動(dòng)速度。”

通過將水從一個(gè)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到另一個(gè)細(xì)胞，植物可以伸出它們的枝干，將它們的根穿過土壤，或者使它們的葉子朝向太陽。但這樣的運(yùn)動(dòng)只是如此之快;依靠水驅(qū)動(dòng)的捕蠅草可能需要10秒的時(shí)間來關(guān)閉捕蠅草。很難想象即使是最慵懶的蒼蠅也會(huì)陷入這種慢動(dòng)作的伏擊。

植物通過機(jī)械不穩(wěn)定性克服這些限制，通過生長儲(chǔ)存能量。就像拉到拉緊的弓弦一樣，植物可以儲(chǔ)存勢能。當(dāng)弦被拉得太遠(yuǎn)或推得夠遠(yuǎn)時(shí)，它就會(huì)釋放，將勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

機(jī)械的不穩(wěn)定性使捕蠅器突然折斷，甚至允許一些植物跳躍。木賊通常被稱為馬尾植物，它會(huì)釋放出微小的孢子，形狀像彎曲的x型。當(dāng)孢子干燥時(shí)，它們的腿就會(huì)展開。隨著濕度變化而來的卷曲和不卷曲讓孢子四處飛散。有時(shí)腿在釋放前會(huì)壓縮，一種強(qiáng)有力的踢腿會(huì)讓孢子躍入風(fēng)中。

無數(shù)的機(jī)制

各種各樣的機(jī)制已經(jīng)被證明與速度一樣令人印象深刻。在最初的研究中，捕捉器和彈射器一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。在過去的幾年里，研究人員增加了依靠爆發(fā)力、踢牙和長曲棍球的機(jī)制。“我們今天所知道的是它的絕對多樣性，”惠特克說。

美國矮槲寄生(Arceuthobium americanum)長期以來一直以快速移動(dòng)著稱。20世紀(jì)60年代的研究發(fā)現(xiàn)，這種寄生植物生長在西海岸松樹樹枝上的球莖小枝上，其種子傳播速度可達(dá)每秒20米。但在2015年，在用熱成像技術(shù)研究了槲寄生后，研究人員在《自然通訊》(Nature Communications)雜志上報(bào)道說，這種擴(kuò)散是由自身產(chǎn)生的熱量引發(fā)的。在槲寄生釋放種子前大約一分鐘，由于線粒體產(chǎn)生熱量反應(yīng)，植物的溫度上升了大約2攝氏度。就像點(diǎn)燃的引信一樣，這種反應(yīng)會(huì)在植物內(nèi)部觸發(fā)一種膠體，使其膨脹，使種子爆炸。

今年2月，《AoB植物》雜志報(bào)道了迄今為止發(fā)現(xiàn)的最小也是最奇怪的機(jī)制之一。研究人員使用能夠記錄微小運(yùn)動(dòng)的攝像機(jī)，以每秒1000幀的速度記錄下來。他們發(fā)現(xiàn)，苔蘚蟲是一名足球明星，可以用它的“牙齒”——圍繞著孢子的柔韌組織——踢來踢去。當(dāng)植物微小的牙齒吸收水分時(shí)，它們會(huì)彎曲變形。當(dāng)它們變干時(shí)，牙齒向外彈開，把孢子提起，讓它們被風(fēng)卷住。

不久之后，在三月，研究人員描述了一種類似于長曲棍球棍在毛花野矮牽?；?Ruellia ciliatiflora)中拋球的機(jī)制。這種花(盡管有名字，但不是矮牽牛花家族的一員)已經(jīng)長出了長長的種子。每個(gè)豆莢里都有大約20顆圓盤形的種子。隨著豆莢的生長，它在接縫處的張力會(huì)被水削弱。研究人員在《皇家學(xué)會(huì)界面雜志》(Journal of the Royal Society Interface)上報(bào)告說，當(dāng)豆莢一分為二時(shí)，魚鉤就會(huì)拋下種子，讓種子以每分鐘近10萬轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。這是迄今為止在任何植物中觀察到的最快的自轉(zhuǎn)速度

尋找速度

盡管有這些努力，參與這些研究的物理學(xué)家、植物學(xué)家和工程師們?nèi)匀皇且粋€(gè)完全不同的群體。“我四處閑逛，有點(diǎn)像一個(gè)被拋棄的人，”惠特克承認(rèn)。無論是生物會(huì)議還是物理會(huì)議，人們都感興趣，但不確定他在那里做什么。“這是一個(gè)非常年輕的領(lǐng)域。”

現(xiàn)在法國普羅旺斯艾克斯-馬賽大學(xué)的Forterre補(bǔ)充道，還有很多事情需要解決。經(jīng)過廣泛研究的捕蠅草仍然保持著神秘。

研究人員知道，當(dāng)蒼蠅掠過植物的毛發(fā)時(shí)，就會(huì)向植物的葉子發(fā)出電信號(hào)。不知怎么的，植物細(xì)胞膨脹了，導(dǎo)致了現(xiàn)在被理解的屈曲。但研究人員并不確定電信號(hào)告訴細(xì)胞的是什么，也不確定細(xì)胞是如何擴(kuò)張的。

有一種理論認(rèn)為，電信號(hào)會(huì)觸發(fā)一種酸的釋放，從而削弱細(xì)胞壁。另一種假設(shè)是，電信號(hào)導(dǎo)致電站將水泵入其外表面的電池中，開始發(fā)生卡扣。Forterre正試圖用電池壓力探頭來解決爭端，但讓工具在移動(dòng)的工廠工作說起來容易做起來難。