動植物的生存和生長離不開液體傳輸，這個過程為動植物生命體的正常運轉提供必要的水分和營養物質。血液透過血管網絡實作機體迴圈，為細胞提供氧氣和營養物質，再將細胞代謝產生的二氧化碳和「廢物」排出，維持生命系統穩定。
植物透過葉片蒸散作用產生拉力，驅動根部從土壤吸收水分，並透過導管系統將水分輸送到需要部位，以維持植物體的水分平衡。 蜘蛛絲能夠捕獲空氣中的霧滴或露水，並透過其表面的周期性紡錘結將水分輸送到關節處。
帶有水滴的蜘蛛網。圖片來源：圖蟲創意
在動植物體內，液體的傳輸通常沿著固定方向進行單向傳輸，那麽，是否存在可以沿著任意方向進行選擇性傳輸的液體通路呢？
2024年6月20日，中國科學家在【科學】（ Science ）期刊上發表了一篇關於多肉植物若綠葉片選擇性定向輸送液體的文章，揭示了存在於自然界中的，一種新的液體傳輸模式。
研究成果發表於【科學】（Science ）雜誌。圖片來源：參考文獻[1]
若綠葉片液體傳輸的方式和特點
若綠是一種景天科、青鎖龍屬多肉植物，原產於南非和納米比亞，以生長速度快、適應力強而著稱，其外觀奇特，葉片小巧，排列散亂，分枝除了在垂直方向分布外，還存在橫斜匍匐分布現象，在多肉植物中獨具一格。若綠深受園藝愛好者喜愛還有一個原因——葉片的變色內容。日照充足時，若綠頂部的葉片會變成紅色，為單調的植株增添一抹光亮。
多肉植物。圖片來源：圖蟲創意
若綠具有極大的觀賞價值，吸引著眾多多肉植物愛好者。中國科學家手裏有一盆與眾不同的若綠，它能幫助「同胞」揭示自身的 「秘密」。
研究者在為若綠澆水時發現，液體在若綠水平分布的莖上，可以選擇性地朝著莖尖或根部這兩個截然相反的方向單向流動，這種選擇性傳輸方式與傳統的液體傳輸方式不同，具有重要的研究意義。
「選擇性定向傳輸」機制
若綠選擇性定向傳輸液體的機制，隱藏在獨特的葉片結構裏。研究者將乙醇作為液體，滴在兩組不同的若綠莖上進行液體傳輸實驗。結果表明，若綠莖上的液體傳輸方向與葉片的凹入傾斜角相關。若綠葉片具有不對稱的凹入結構，即朝向莖尖的方向呈現出向上傾斜的凹入角，朝向根部的方向呈現出向下傾斜的凹入角。
當上傾斜凹入角為32°±8.5°，下傾斜凹入角為37°±6.6°時，乙醇朝莖尖單向傳播，反方向被有效阻擋。當上傾斜凹入角為55°±5.2°，下傾斜凹入角為34°±4.8°時，乙醇朝根部單向傳播。
研究者還透過3D打印技術制備了仿若綠葉片結構的陣列器件，驗證了各向異性彎液面的理論模型，揭示了傾斜凹入角度在控制液體運輸方向的關鍵作用。
A.若綠葉片的凹入角；B.若綠葉片水分向尖端傳輸；C.若綠葉片水分向根部傳輸；D.液體輸送距離與時間的關系；E.液體在不同表面轉運方式的對比。圖片來源：參考文獻[1]
液體傳輸規律的套用潛力
研究者基於若綠多肉葉片的不對稱凹入角結構，設計了一系列仿生器件。例如，透過引入磁性釹鐵硼材料作為填充劑，在外加磁場的作用下改變仿葉片結構的傾斜凹入角度，實作液體的選擇性運輸；透過機械刺激改變仿葉片結構的間距，實作液體運輸方向的切換。
若綠多肉葉片選擇性定向傳輸液體的能力，有望幫助我們實作液體傳輸的可重構性與傳輸方向的智能化調控，進一步實作自主、長距離的定向液體輸送。這一能力在生物醫學檢測、化學反應分析、微流控等多個領域展現出了廣闊且誘人的套用潛力。
A-C.液體在不同仿若綠葉片器件的傳輸路徑圖。圖片來源：參考文獻[1]
結語
科技的進步源於自然的智慧。科學家們以敏銳的洞察力，從日常生活的細微之處捕捉靈感，提煉自然界的精妙法則，轉化為推動社會進步的高科技產品，也正是這份對未知的好奇與追求，帶領我們不斷發現自然規律的奧妙。探索不止，科技點亮未來。
參考文獻
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出品丨科普中國
作者丨石暢 物理化學博士
監制丨中國科普博覽
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審校丨徐來 林林
