《爬山虎的脚》科学版番外

□中国科普博览

小学语文四年级课本上，叶圣陶先生的文章《爬山虎的脚》激发了多少孩子那颗“科学心”。文章这样描述爬山虎：“原来爬山虎是有脚的，爬山虎的脚长在茎上。茎上长叶柄的地方，反面伸出枝状的六七根细丝，每根细丝像蜗牛的触角。细丝跟新叶子一样，也是嫩红的。这就是爬山虎的脚。”

吸盘——爬山虎的“脚”

爬山虎又名爬墙虎、地锦、飞天蜈蚣等，为葡萄科爬山虎属，是大型多年生落叶木质藤本攀援植物。作为一种攀援植物，借助它物攀附向上生长是爬山虎这类植物的生存技能。

爬山虎的吸盘

而在攀援植物大家族中，植物们又有各种不同的攀援方式，有的通过枝条弯曲上升进行缠绕；有的把自己的花、叶、茎变态为卷须；还有的植物进化出吸盘、不定根或刺来固定自己，达到附着向上的目的；还有一些更聪明的植物，同时具备以上多种功能，就为了让自己实现“飞檐走壁”的梦想。爬山虎的卷须就由茎变态而来，当遇到可以攀爬的平面时，卷须顶端和尖端会发育成吸盘，通过吸盘的吸附来向上攀援，寻找生长空间。

卷须和吸盘就像是爬山虎的“手”和“脚”。手脚并用，无论是岩石、墙壁还是树木，爬山虎均能牢牢吸附，不在话下。

爬山虎别称为巴山虎、红丝草、爬墙虎等，属于大型多年生落叶木质藤本植物，花期为5-8月。

最早观察爬山虎的还要数达尔文

达尔文在观察弗吉尼亚山葡萄（也就是爬山虎）卷须运动的过程中，他发现，有的植物卷须缠住枝条后会自己撤回，而当碰到像墙壁这样的平面时，才把所有的须枝向它弯曲，稀疏地铺开，使它们的钩状顶端的侧面与它接触。

大约两天左右，卷须顶部会膨胀，形成一种可以牢固吸附的“小垫子”，这就是我们所说的“吸盘”了。

没有吸附于任何物体的卷须，会在一两个星期后枯萎脱落。达尔文提出，爬山虎的吸盘是不会主动发育的，除非受到一定的外在刺激，例如暂时性地与一些物体进行接触。

图自《攀援植物的运动和习性》作者：达尔文

吸附力超强的爬山虎吸盘

达尔文发现，一株具有10年以上树龄的成熟爬山虎小枝仅留有一个吸盘与基底接触，在小枝上悬挂两磅重物（重力约为8.9牛顿）的条件下，吸盘仍然能够牢牢地吸附在基底表面而不脱落。

科学家们对爬山虎的吸盘吸附力做了详细测量。一个成熟吸盘的平均质量约为0.0005克，与基底的吸附接触面积平均值也只有1.22平方毫米，而吸附力却达13.7牛顿。

科学家通过核算得出：单个吸盘能够支撑起自身260倍的重量，包括由茎、叶、分枝和卷须共同产生的重量；而吸盘能够承载的最大拉力是自身重量的280万倍。这是一个非常惊人的数据。

大家都知道，壁虎的吸附力已经很厉害了，能够攀爬甚至倒挂在各种墙面上，然而成熟吸盘能够承受的吸附力是壁虎脚的112倍。

此外，根据吸盘的接触面积和吸附力粗略估计，由模仿吸盘设计出的“仿生手掌”的一根手指尖，就能通过吸附支撑起一个114公斤的人。

一个吸盘已经非常强大了，然而爬山虎的吸附系统同时拥有多个吸盘，再加上卷须的螺旋状结构作为“外挂”，让爬山虎能够在墙面上不惧重力，垂直攀援，经受得住狂风的吹刮与暴雨的冲刷。

吸盘是怎么长出来的，怎么吸上的

科学家们发现，爬山虎卷须上的搜寻枝具有很强的基底识别能力，可以感知出基底表面是否能让它们牢固吸附。未成熟的吸盘在接触刺激后，产生了一系列复杂的细胞分裂和扩大过程，同时表皮和表皮下的细胞会积聚一种黏性物质，并通过细胞壁从表皮细胞中分泌出来。

这种黏液会让表皮破裂，分泌出的黏液使吸盘对支持物产生黏性，最终令吸盘和基底黏结在一起。

在完全吸附完毕的吸盘中，流动的黏液像是“双面胶”似的，占据了表皮细胞内部区域的所有空隙，也占据了表皮细胞与基底之间的空隙。

爬山虎吸盘的排列模型图

通过显微镜观察，人们还发现了一些奇特的吸盘微观结构。这些海绵状多孔结构有利于黏液的流动和传送，并能显著增强吸盘和基底之间的吸附作用。

当吸盘稳固地吸附后，卷须会开始卷曲、变厚并木质化，这才使得爬山虎的卷须和吸盘都有一个相当大的保持力。

此外，科学家们还观察到，爬山虎吸盘会沿着卷须主轴进行交替排列，这不仅遵循建筑学中的对称与非对称规则，而且和表面物理化学中的稳定吸附原理一致。爬山虎吸盘沿着卷须主轴的交替排列，就是一个符合结构力学的经典例子。更奇妙的是，吸盘、卷须和茎的几何相关性和城市管网中的支管和主管分布有着惊人的相似性。

图a爬山虎吸盘扫描电子显微镜图片图b吸盘表面的指状结构图c、图d海绵状的吸盘大孔结构