有透明的花瓣吗？

2014-11-12 | fengfeixue0219 收藏(6) | 阅读(155273)

最近，网上一组照片引起了大家的兴趣：日本一种叫“サンカヨウ”的花朵，它的花开始时是白色的，而在淋雨之后，花瓣竟会变得和水晶一般晶莹剔透，惹人喜爱。那么这种花是什么，它为何又会具有这种花瓣变透明的奇特本领呢？

小物种，大意义

图中的植物，实际上是日本山荷叶（Diphylleia grayi ）了，是小檗科、山荷叶属植物。山荷叶属是一个小属，属内只包括三种植物，即日本山荷叶、南方山荷叶（D. sinensis）和北美山荷叶（D. cymosa）。其中，日本山荷叶分布在日本北部，也有报道分布在我国东北；南方山荷叶则分布于我国中西部如湖南、云南、四川等地，而北美山荷叶则分布于美国东海岸地区。

山荷叶这个名称的由来，源于它那大而圆的叶片。并且叶柄和荷花一样，都是盾状着生于叶片的背面靠近中央的位置。因此在还未开花之时，看上去就像山间生长的一片荷叶，因此而得名。此外由于叶片油光发亮，鲜翠欲滴，就好像盛满水的绿碗一般，因此又有“江边一碗水”、“一把伞”的俗名。

图注：日本山荷叶的叶形很有特点

和小檗科的不少属种一样，山荷叶在地下也长有地下块茎，由于地下块茎中含有鬼臼毒素和其衍生物，因此它的块茎经常和属于鬼臼属（Dysosma）的六角莲、八角莲等一起，被挖掘作为药物使用，因此在我国，南方山荷叶已经处于较为濒危的处境，亟待进行资源保护。

山荷叶的价值不仅仅在于药用，而且对于研究地理变动、物种迁移等区系地理学也有着重要意义。山荷叶属的三种植物属于典型的东亚-北美间断分布种，所谓间断分布，就是相近的物种类群分散的分布于一系列地区。这代表这些物种的共同原始祖先曾广泛分布于这些地区，而后随着地质变迁从而被割裂，并进行独自演化。以山荷叶为例，它在我国中南、日本、北美的分布，就很可能代表其共同祖先可能通过白令陆桥扩散于北美和东亚，而由于冰川和随后冰川消退造成的白令陆桥断裂，从而分化为3个不同的物种。

变身“水晶花”

山荷叶的花有六枚花瓣，并排成两轮，花瓣的宽窄在不同个体间有较大差异。在开花初期，花瓣是乳白色的，而至于它为什么会变透明，这实际上涉及到了花瓣的表面和内部性质，以及其所造成的光学特性的变化。

我们看到的色彩斑斓的花朵，大多数都是由于其细胞内含有花青素、类胡萝卜素等色素物质所致。然而，对于白色的花来说，并非是细胞含有白色的色素，而是由花瓣细胞高度空泡化的结构所致。花瓣中含有众多填充空气的小泡和细胞间隙，它们和无色的细胞间形成了众多的反射界面。并且，由于细胞内液和空气的折射率相差较大，因此在细胞表面可以形成全反射界面。当外界光线射入花瓣后，光线在这些反射界面处发生了强烈的全反射和漫反射，当反射的光进入人眼后，我们就看到花瓣呈现为白色。

图注：花瓣的横切，intercelluar space和lacunea分别指细胞间隙和小泡，内部填充有空气。

通常，花瓣表面并非我们肉眼看上去那么光滑。花瓣表皮细胞会形成众多突起，且细胞表面覆盖有蜡质成分，以此形成一个疏水界面，防止水填充进这些含气的空间——因为自然界中的水是病原入侵植物的主要途径之一。如果有植物摄影爱好者，一定会对花瓣上的水珠记忆深刻：这些水珠都形成一个个晶莹剔透的小球，吸附在花瓣上，稍微的抖动并不会让水珠滑落。这实际上是一个物理现象：由于花瓣是不易被水浸润的，因此花瓣上的水珠因为表面张力收缩成一个球形，这就是所谓的“Petal effect（花瓣效应）”。值得注意的是，这种“花瓣效应”虽然和荷叶表面滚动水珠的所谓“lotus effect（荷叶效应）”形成的原理相似，但效果是不同的：花瓣效应中，水珠和花瓣的接触位置有一定黏附性，因此水珠不会随意滚动，而荷叶效应中，这种黏附性也很低，因此水滴很容易滑落。荷叶就是依靠这种效应来让雨水冲走灰尘，做到“出淤泥而不染”的。

图注：玫瑰/月季花瓣表皮细胞的突起。注意本图是扫描电镜图，颜色是伪彩，不是真实颜色。

图注：花瓣效应和荷叶效应的比较。可以看到花瓣效应中水珠能够填充到细胞突起之间，但并不充分浸润花瓣

图注：花瓣效应中，水珠不但不会随意滚动，而且甚至在倒置时都不会滚落。

但是在一些情况下，水是可以突破植物的这层“疏水屏障”的：例如由于物种差异，花瓣本身蜡质层较薄；或花瓣衰老、表皮细胞间隙增加；或被水长时间浸泡等。在这些情况下，水就会侵入花瓣内的细胞间隙和空泡中。由于叶片内部细胞表面没有蜡质层覆盖，且植物细胞壁的纤维素、半纤维素、果胶等成分是亲水性的，因此水分会很快填充和浸润整个花瓣内部空间，从而消除了原本广泛存在的空气-液体界面，进而失去了造成广泛漫反射的条件。由于细胞液的折射率和水相近，因此光线透射的部分增加，花瓣就显的透明了。这和我们挤压一下白色花瓣也能让其变透明一样：挤压破坏含气空间，并且细胞破碎释放的细胞液也填充进了这些含气空间，同样消除了全反射界面。

图注：从这张图可见，透明化是从叶片边缘沿着叶脉开始的，这可能是水从花瓣边缘的叶脉开口处开始浸润的缘故。

事实上，在生活中我们也能见到类似的现象。例如夏天时，运动过后浑身出的汗浸透了衣服，那么对于穿白色衣服的女生就要当心了——湿透的白色衣服会更加显得透明，因而有暴露内衣的隐患。这是同样也是由于汗水浸润了衣物纤维间的含气空间，消除了空气和纤维表面形成的全反射界面所致。同样的，深色织物被水浸湿后显得颜色更暗也是同样的原理，只不过现象相反——由于浸湿的织物光线漫反射的比例减小，因此通过漫反射而进入人眼的光线减少，而织物本身并不发光，因此浸湿的地方看上去显得更暗了。

不需要染料的颜色

事实上，这种依靠全反射和漫反射呈现“白色”的方式，在物理学上属于广义的“结构色”。所谓“结构色”，指的就不同于传统染料那样，依靠特定物质分子对特定波长光的吸收而显示颜色，而是依靠物体本身的结构特性，让照射到其上的光产生干涉、衍射、折射、反射等现象，从而产生不同的颜色。不过在应用中，“结构色”一词通常用来描述产生非白色色光的情况。在我们生活中，甲虫、蝴蝶和一些鸟类羽毛等具有的鲜艳的色彩，就是因为其表面具有细小的毛、沟、鳞片等结构，光线在这些结构间发生干涉，从而产生艳丽的颜色。我们常用的光盘所产生的“彩虹光”，其实也是一种结构色。

图注：光盘上的“彩虹色”其实也是一种结构色。

结构色和普通的染料染色相比，具有其颜色只和结构相关，不和物质性质相关的特点，因此不会因为氧化、老化等过程而退色，此外，很多结构色从不同角度看去会具有不同的颜色，这也让结构色有了新的应用领域。目前，科学家们正在积极研发新的材料和表面结构，可以相信今后的生活和生产中，结构色将得到越来越多的应用。

文章出处：百度知道日报（https://zhidao.baidu.com/daily）

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