《爬山虎的腳》科學版番外

□中國科普博覽

小學語文四年級課本上，葉圣陶先生的文章《爬山虎的腳》激發了多少孩子那顆“科學心”。文章這樣描述爬山虎：“原來爬山虎是有腳的，爬山虎的腳長在莖上。莖上長葉柄的地方，反面伸出枝狀的六七根細絲，每根細絲像蝸牛的觸角。細絲跟新葉子一樣，也是嫩紅的。這就是爬山虎的腳。”

吸盤——爬山虎的“腳”

爬山虎又名爬墻虎、地錦、飛天蜈蚣等，為葡萄科爬山虎屬，是大型多年生落葉木質藤本攀援植物。作為一種攀援植物，借助它物攀附向上生長是爬山虎這類植物的生存技能。

爬山虎的吸盤

而在攀援植物大家族中，植物們又有各種不同的攀援方式，有的通過枝條彎曲上升進行纏繞；有的把自己的花、葉、莖變態為卷須；還有的植物進化出吸盤、不定根或刺來固定自己，達到附著向上的目的；還有一些更聰明的植物，同時具備以上多種功能，就為了讓自己實現“飛檐走壁”的夢想。爬山虎的卷須就由莖變態而來，當遇到可以攀爬的平面時，卷須頂端和尖端會發育成吸盤，通過吸盤的吸附來向上攀援，尋找生長空間。

卷須和吸盤就像是爬山虎的“手”和“腳”。手腳并用，無論是巖石、墻壁還是樹木，爬山虎均能牢牢吸附，不在話下。

爬山虎別稱為巴山虎、紅絲草、爬墻虎等，屬于大型多年生落葉木質藤本植物，花期為5-8月。

最早觀察爬山虎的還要數達爾文

達爾文在觀察弗吉尼亞山葡萄（也就是爬山虎）卷須運動的過程中，他發現，有的植物卷須纏住枝條后會自己撤回，而當碰到像墻壁這樣的平面時，才把所有的須枝向它彎曲，稀疏地鋪開，使它們的鉤狀頂端的側面與它接觸。

大約兩天左右，卷須頂部會膨脹，形成一種可以牢固吸附的“小墊子”，這就是我們所說的“吸盤”了。

沒有吸附于任何物體的卷須，會在一兩個星期后枯萎脫落。達爾文提出，爬山虎的吸盤是不會主動發育的，除非受到一定的外在刺激，例如暫時性地與一些物體進行接觸。

圖自《攀援植物的運動和習性》作者：達爾文

吸附力超強的爬山虎吸盤

達爾文發現，一株具有10年以上樹齡的成熟爬山虎小枝僅留有一個吸盤與基底接觸，在小枝上懸掛兩磅重物（重力約為8.9牛頓）的條件下，吸盤仍然能夠牢牢地吸附在基底表面而不脫落。

科學家們對爬山虎的吸盤吸附力做了詳細測量。一個成熟吸盤的平均質量約為0.0005克，與基底的吸附接觸面積平均值也只有1.22平方毫米，而吸附力卻達13.7牛頓。

科學家通過核算得出：單個吸盤能夠支撐起自身260倍的重量，包括由莖、葉、分枝和卷須共同產生的重量；而吸盤能夠承載的最大拉力是自身重量的280萬倍。這是一個非常驚人的數據。

大家都知道，壁虎的吸附力已經很厲害了，能夠攀爬甚至倒掛在各種墻面上，然而成熟吸盤能夠承受的吸附力是壁虎腳的112倍。

此外，根據吸盤的接觸面積和吸附力粗略估計，由模仿吸盤設計出的“仿生手掌”的一根手指尖，就能通過吸附支撐起一個114公斤的人。

一個吸盤已經非常強大了，然而爬山虎的吸附系統同時擁有多個吸盤，再加上卷須的螺旋狀結構作為“外掛”，讓爬山虎能夠在墻面上不懼重力，垂直攀援，經受得住狂風的吹刮與暴雨的沖刷。

吸盤是怎么長出來的，怎么吸上的

科學家們發現，爬山虎卷須上的搜尋枝具有很強的基底識別能力，可以感知出基底表面是否能讓它們牢固吸附。未成熟的吸盤在接觸刺激后，產生了一系列復雜的細胞分裂和擴大過程，同時表皮和表皮下的細胞會積聚一種黏性物質，并通過細胞壁從表皮細胞中分泌出來。

這種黏液會讓表皮破裂，分泌出的黏液使吸盤對支持物產生黏性，最終令吸盤和基底黏結在一起。

在完全吸附完畢的吸盤中，流動的黏液像是“雙面膠”似的，占據了表皮細胞內部區域的所有空隙，也占據了表皮細胞與基底之間的空隙。

爬山虎吸盤的排列模型圖

通過顯微鏡觀察，人們還發現了一些奇特的吸盤微觀結構。這些海綿狀多孔結構有利于黏液的流動和傳送，并能顯著增強吸盤和基底之間的吸附作用。

當吸盤穩固地吸附后，卷須會開始卷曲、變厚并木質化，這才使得爬山虎的卷須和吸盤都有一個相當大的保持力。

此外，科學家們還觀察到，爬山虎吸盤會沿著卷須主軸進行交替排列，這不僅遵循建筑學中的對稱與非對稱規則，而且和表面物理化學中的穩定吸附原理一致。爬山虎吸盤沿著卷須主軸的交替排列，就是一個符合結構力學的經典例子。更奇妙的是，吸盤、卷須和莖的幾何相關性和城市管網中的支管和主管分布有著驚人的相似性。

圖a爬山虎吸盤掃描電子顯微鏡圖片圖b吸盤表面的指狀結構圖c、圖d海綿狀的吸盤大孔結構