百合綻放的花「邊」祕密

■ 萬事莫不有其法度,即使是一瓣百合花開,也有著背後的數學模型。

馬哈德凡和梁海弋建立了一個數學模型,呈現週邊生長的過程:快綻放的花瓣從邊緣皺起,並向外彎曲,進而讓花朵盛開。

編譯 ∣ 汪芃

英文中「百合般的白」(lily white)一詞意謂純白、完美無瑕,是數百年來許多詩和藝術的靈感來源;不過若問起百合密密捲起的花瓣究竟如何從花苞裡綻放開來,科學界卻幾乎一無所知。

然而,現在已有數學分析揭曉答案,百合花開與先前認為擔任要角的花瓣中脈其實沒有關係,開花的驅動力主要來自花瓣的差別生長和邊緣的縐摺。

這項研究由哈佛大學工程與應用科學學院(Harvard School of Engineering and Applied Sciences)執行,研究成果與之前研究花苞內生長情形的理論大相逕庭,研究團隊發現植物的花瓣其實和葉子很像。

這份研究成果三月21日發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)網站上,結合數學理論、觀測和實驗結果,描述百合開花的過程。

研究主持人是哈佛大學工程與應用科學學院應用數學系(Applied Mathematics)的教授馬哈德凡(L. Mahadevan),他表示:「平面生長應力不同會造成形狀改變,這是已知的事實,但現在我們利用測量及簡單的理論證明,這個過程正是百合開花的主因,這是一項新發現。」

「最讓人驚訝的是,『開花』這麼一個意象豐富的主題,竟很少有人以量化觀點研究。」馬哈德凡和梁海弋一起進行這項研究,梁海弋之前是哈佛工程與應用科學學院的博士後研究學者,目前在中國安徽省合肥市的中國科學技術大學擔任教授。

香水百合開花動力

兩人一起研究香水百合(Lilium casablanca),這種花是亞洲品種,花苞結構為外部有三片萼片,包覆住裡面的三片花瓣。

每片花瓣和萼片中央都有一條較硬的中脈,保護花苞結構,萼片的邊緣則緊靠著花瓣中脈上的一道道溝槽,形成鎖定機制,把花苞包覆起來,直到花苞內部的生長到達臨界點為止。

過去認為,花瓣能從花苞中綻放開來,是因為生長的中脈提供了內部壓力,另一種看似合理的理論則認為,花開是因為花瓣和萼片的內側(向軸面)長得比外側(背軸面)快;有些植物開花確實是因為上述這些機制。

但梁海弋和馬哈德凡的新研究則顯示,百合花開的主要驅動力並不是中脈生長,也不是向軸、背軸面的差別生長。花朵會盛開,是因為花瓣邊緣快速生長並產生縐摺,因此在花苞內部形成張力。

研究人員透過觀測、實驗等方法,測量花瓣不同部位的生長情況,並決定哪些生長是花苞開放必需的因素,接著以數學方法描述開花過程,把所有個別的觀測資料歸納成普遍情形。

影片:百合開花的動畫-快綻放的花瓣從邊緣皺起,並向外彎曲,進而讓花朵盛開。

研究結果和大家先前的假設不同,但似乎支持一位理論家的論點,這位理論家在這個領域裡不太受青睞──他就是日耳曼大文豪歌德(Johann Wolfgang von Goethe)。

歌德在他1790年的文章《植物形態變化》裡指出,花瓣和葉子可能具有同源性,亦即植物的花和葉是從古代的同一個構造演化而成。

馬哈德凡說:「現在花瓣和葉子其中一個相像的層面可說已被我們量化了,我們的研究顯示,花瓣和葉子除了外觀都呈葉片狀之外,形態變化也遵循類似的原理。」

「特別是葉面構造的生長速度差異造成邊緣長得比中間快,因此在葉子邊緣形成縐摺,這點我和梁海弋在2009年已發表研究成果;而現在我們延續這個結論,把實驗結果綜合歸納,發現百合開花的機制,和葉片生長的機制非常相似,只不過花瓣的構造是捲曲的。」

馬哈德凡除在哈佛大學工程與應用科學學院任職,也是該校個體與演化生物學系(Organismic and Evolutionary Biology)的教授和魏斯生物工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)的核心成員,同時是科維理奈米生物科技研究所(Kavli Institute for Bionano Science and Technology)的成員。

馬哈德凡先前的研究多受自然界的美麗事物啟發,所做過的研究包含蛇如何向前滑行、捕蠅草的開口如何閉合等等。

馬哈德凡說:「周遭的大自然啟迪我們,讓我們產生好奇,研究百合開花過程只是其中一例;自然界讓大人小孩都著迷。」

這項研究成果可立即應用在薄膜和彈性片的材料科學中,也可用來改良一些模仿花開機制所設計的感應器和驅動器。

研究出處:Growth, geometry, and mechanics of a blooming lilyPNAS

責任編輯:MissZoe

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4 thoughts on “百合綻放的花「邊」祕密

  • 2011 年 04 月 15 日 at 17:02:37
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    影片看起來好像品客啊...我昨天才吃了一罐。

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  • 2011 年 04 月 15 日 at 18:22:21
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    其實歌德也沒這麼不被重視啦 :p
    胡哲明老師在上演化生物學時有特別把歌德的東西拿來說,大抵上植物的花跟葉同源在普通生物課時就已經常常被提到了 (不過力學上的機制是沒有提過)。
    另外,型態 (morphology) 這個字跟概念可是他最先拿來用的 xD

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    • 2011 年 04 月 15 日 at 18:24:50
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      修正上面的錯誤: 花跟「枝條」同源,因此花瓣跟葉子同源 :p

      Reply

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