捷克共和國利貝雷茨植物園的園長Petra Putova展示了世界上最小的睡蓮——侏儒盧旺達睡蓮（Nymphaea thermarum），旁邊是世界上最大的亞馬遜王蓮（Victoria amazonica）。攝影：RADEK PETRASEK, CTK/AP IMAGES

撰文：RICHARD SIMA

長期以來，巨大的亞馬遜王蓮因其美麗的外形和可觀的尺寸而令科學家、建築師和藝術家着迷。然而，亞馬遜王蓮的葉子如何能夠長到3米寬，強大到足以支撐一個小孩子的重量，直到現在都是個謎。

一個由英國和法國科學家組成的研究小組研究了這些亞馬遜王蓮的力學原理，他們發現樹葉上有一個樹枝狀的、梁狀的脈網，這種脈網的強度和結構支撐都得到了優化。牛津大學植物園和樹木園副主任Chris Thorogood曾稱之為“一個巨大的植物學之謎”。這個小組的研究發表在2月的《科學進展》上，挖掘出了這一謎題的指導意義——能激發更好的建築工程與設計，特别是在浮動結構方面。

Thorogood說：“我們通過實證實驗和數學建模得出的結論是，這些葉子具有獨特的強度和剛性的靈活性，它們才能夠真正長大，”他是這項研究的通訊作者。

植物園藝師Alberto Trinco展示了倫敦邱園的世界上最大的睡蓮——亞馬遜王蓮的一片上翻葉片。攝影：DOMINIC LIPINSKI, PA IMAGES/GETTY IMAGES

引人注目的葉脈

從上面看，亞馬遜王蓮的葉子就像一個大的綠色餐盤，邊緣上翹。它的美麗和力量的源泉隻有從下面才能看到。

“當我們把葉子從池塘裡撈出來，公衆看到它們時，他們實際上驚歎于葉子的美麗。”Thorogood說。“它們美得令人吃驚”。

葉子的底部完全被一個分形的刺狀脈絡所覆蓋，這些脈絡從中央的莖部向外輻射。主脈變得更細，在接近葉子邊緣時分成分支。它們以一定的間隔與其他脈絡相交，形成同心圓，是這種睡蓮屬特有的。整體效果非常鼓舞人心的：在葉子的深綠色或紅色的襯托下，有一張錯綜複雜的黃色靜脈網。（亞馬遜王蓮有兩個姊妹品種，背面顔色不同。）

亞馬遜王蓮是由英國探險家于1801年在南美洲發現的。它很快在維多利亞時代的英國流行起來，在那裡，它的屬名“維多利亞”是為了紀念年輕的維多利亞女王，這種植物成為了大英帝國的象征。

但它不僅僅是一個象征，因為植物學家們一再試圖在人工環境下栽培它。Tatiana Holway在她的書《帝國之花》中寫道：“這是一種癡迷。”“在維多利亞時代，一些最傑出、最富有進取心的人彙聚在一起，努力從赤道附近的荒野中找回這種無與倫比的珍奇植物，在英國培育這種植物，這是一項史詩般的探索，吸引了全世界的目光。”

英國園丁和建築師Joseph Paxton是第一個成功栽培亞馬遜王蓮的人。這激發了他設計水晶宮的靈感，水晶宮是倫敦的一個鑄鐵和玻璃的地标，為1851年的“世界博覽會”（Great Exhibition）而建造（後來被火燒毀）。

“大自然是工程師，”帕克斯頓在1850年對皇家藝術協會的講話中說。“大自然為葉子提供了縱橫交錯的大梁和支撐，我借用了這個設計，并在這座建築中采用了這些支撐。”

Paxton對睡蓮的結構優勢有着直觀的把握——但直到現在，Thorogood和他的同事才弄清楚運作機制。

對一片葉子進行測試

研究人員身穿防水潛水衣，爬進了牛津大學植物園的大型加熱池塘，以實驗性地測量葉子對重量的反應。

曼徹斯特大學流體力學研究員、該研究的主要作者Finn Box說：“我一直在尋找這個機會，爬到池塘裡，戳戳睡蓮。”“這非常有趣。”

要長到3米寬——遠遠大于其他睡蓮，亞馬遜王蓮需要很強壯。葉脈之間的組織隻有大約一毫米厚。葉子漂浮于水支撐着它的重量，但它需要承受熱帶風暴的降雨或鳥兒走過的重量而不被撕碎和淹沒。

“一旦一片葉子被淹沒，那麼它就會失去它在表面可以進行光合作用的空間，”Box說。

亞馬遜王蓮的秘密就在于它突出的維管系統，這是小型睡蓮缺乏的生物機制：它們類似于扁平的盤子，有薄薄的、幾乎看不出來的脈絡。

Box和他的同事通過一系列的壓力測試來測量亞馬遜王蓮的強度。首先，他們将一米長的睡蓮葉子從固定在下面泥土上的莖上分離出來，并将葉子拖到池塘的邊緣。他們小心翼翼地避開覆蓋在葉子底部的一厘米長的兇猛的刺，以保護葉子免受魚的啃咬。

他們用相機記錄了每片葉子在他們按壓它或在它上面放置一個重物時的壓痕和變形程度。這種壓力測試表明，亞馬遜王蓮的葉子比其他更常見的睡蓮物種上的小葉子要硬得多，因此也更結實。

研究小組使用計算機模型和一個三維打印的測試樣本，測試了他們關于亞馬遜王蓮如何做到這一點的假設。他們發現亞馬遜王蓮的支脈，在靠近中心的地方開始很粗，向葉子的邊緣逐漸變細，均勻地分配葉子的重量。它們使葉子變硬并得到支持，同時當葉子變形時，例如被鳥的腳踩到時，可以彈性地反彈，而且它們以一種非常有效的方式做到這一點。

對它自己和人類分别有什麼好處

亞馬遜王蓮在亞馬遜盆地的季節性洪水泛濫的地區茁壯生長，在水再次消失之前，它有大約六個月的時間來生長。在這期間，它巨大的葉子能夠吸收最多的陽光。

葉子上的葉脈基本上使睡蓮能夠覆蓋更多的表面積進行光合作用。相比之下，較小的普通睡蓮的普通葉片根本無法承受這麼大的重量。

“表面積越大，能進行的光合作用就越多，”Box說。“植物物質和光合作用能力之間的這種經濟性對它們來說顯然很重要。”

人類已經開發了從植物中獲得靈感的仿生應用，例如從牛蒡植物的毛刺中獲得的尼龍搭扣靈感和從荷葉中學到的自潔表面。從大型浮動葉片中獲得啟示并不牽強；除了改善浮動結構的設計，它還可以為海上風力渦輪機甚至漂浮 “海島”社會開啟新的成本效益設計。2008年，比利時建築師Vincent Callebaut根據亞馬遜王蓮的結構設計了一個浮動城市，名為“Lilypad--氣候難民的浮動生态城市”。

“也許我們工程師可以采取的做法是：嘿，有沒有人想過分支的大梁或有不同截面的大梁？’”Box問道。“我想，當你不得不回到你自己的世界，思考你在生物世界中遇到的一些事情時，也許你已經取得了進步。”

有一天，人類利用漂浮在亞馬遜王蓮啟發的平台上的太陽能電池闆來收集盡可能多的陽光——就像這種植物數百萬年來所做的那樣，這是一種富有詩意的想法。

“這是一個類似的想法，”Box說。“那麼，為什麼我們不能從已經進化出最佳解決方案的自然實例中學習呢？”

（譯者：張淏然）

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!