有透明的花瓣吗?

最近,网上一组照片引起了大家的兴趣:日本一种叫“サンカヨウ”的花朵,它的花开始时是白色的,而在淋雨之后,花瓣竟会变得和水晶一般晶莹剔透,惹人喜爱。那么这种花是什么,它为何又会具有这种花瓣变透明的奇特本领呢?

小物种,大意义

图中的植物,实际上是日本山荷叶(Diphylleia grayi )了,是小檗科、山荷叶属植物。山荷叶属是一个小属,属内只包括三种植物,即日本山荷叶、南方山荷叶(D. sinensis)和北美山荷叶(D. cymosa)。其中,日本山荷叶分布在日本北部,也有报道分布在我国东北;南方山荷叶则分布于我国中西部如湖南、云南、四川等地,而北美山荷叶则分布于美国东海岸地区。

山荷叶这个名称的由来,源于它那大而圆的叶片。并且叶柄和荷花一样,都是盾状着生于叶片的背面靠近中央的位置。因此在还未开花之时,看上去就像山间生长的一片荷叶,因此而得名。此外由于叶片油光发亮,鲜翠欲滴,就好像盛满水的绿碗一般,因此又有“江边一碗水”、“一把伞”的俗名。

和小檗科的不少属种一样,山荷叶在地下也长有地下块茎,由于地下块茎中含有鬼臼毒素和其衍生物,因此它的块茎经常和属于鬼臼属(Dysosma)的六角莲、八角莲等一起,被挖掘作为药物使用,因此在我国,南方山荷叶已经处于较为濒危的处境,亟待进行资源保护。

山荷叶的价值不仅仅在于药用,而且对于研究地理变动、物种迁移等区系地理学也有着重要意义。山荷叶属的三种植物属于典型的东亚-北美间断分布种,所谓间断分布,就是相近的物种类群分散的分布于一系列地区。这代表这些物种的共同原始祖先曾广泛分布于这些地区,而后随着地质变迁从而被割裂,并进行独自演化。以山荷叶为例,它在我国中南、日本、北美的分布,就很可能代表其共同祖先可能通过白令陆桥扩散于北美和东亚,而由于冰川和随后冰川消退造成的白令陆桥断裂,从而分化为3个不同的物种。

变身“水晶花”

山荷叶的花有六枚花瓣,并排成两轮,花瓣的宽窄在不同个体间有较大差异。在开花初期,花瓣是乳白色的,而至于它为什么会变透明,这实际上涉及到了花瓣的表面和内部性质,以及其所造成的光学特性的变化。

我们看到的色彩斑斓的花朵,大多数都是由于其细胞内含有花青素、类胡萝卜素等色素物质所致。然而,对于白色的花来说,并非是细胞含有白色的色素,而是由花瓣细胞高度空泡化的结构所致。花瓣中含有众多填充空气的小泡和细胞间隙,它们和无色的细胞间形成了众多的反射界面。并且,由于细胞内液和空气的折射率相差较大,因此在细胞表面可以形成全反射界面。当外界光线射入花瓣后,光线在这些反射界面处发生了强烈的全反射和漫反射,当反射的光进入人眼后,我们就看到花瓣呈现为白色。

通常,花瓣表面并非我们肉眼看上去那么光滑。花瓣表皮细胞会形成众多突起,且细胞表面覆盖有蜡质成分,以此形成一个疏水界面,防止水填充进这些含气的空间——因为自然界中的水是病原入侵植物的主要途径之一。如果有植物摄影爱好者,一定会对花瓣上的水珠记忆深刻:这些水珠都形成一个个晶莹剔透的小球,吸附在花瓣上,稍微的抖动并不会让水珠滑落。这实际上是一个物理现象:由于花瓣是不易被水浸润的,因此花瓣上的水珠因为表面张力收缩成一个球形,这就是所谓的“Petal effect(花瓣效应)”。值得注意的是,这种“花瓣效应”虽然和荷叶表面滚动水珠的所谓“lotus effect(荷叶效应)”形成的原理相似,但效果是不同的:花瓣效应中,水珠和花瓣的接触位置有一定黏附性,因此水珠不会随意滚动,而荷叶效应中,这种黏附性也很低,因此水滴很容易滑落。荷叶就是依靠这种效应来让雨水冲走灰尘,做到“出淤泥而不染”的。


但是在一些情况下,水是可以突破植物的这层“疏水屏障”的:例如由于物种差异,花瓣本身蜡质层较薄;或花瓣衰老、表皮细胞间隙增加;或被水长时间浸泡等。在这些情况下,水就会侵入花瓣内的细胞间隙和空泡中。由于叶片内部细胞表面没有蜡质层覆盖,且植物细胞壁的纤维素、半纤维素、果胶等成分是亲水性的,因此水分会很快填充和浸润整个花瓣内部空间,从而消除了原本广泛存在的空气-液体界面,进而失去了造成广泛漫反射的条件。由于细胞液的折射率和水相近,因此光线透射的部分增加,花瓣就显的透明了。这和我们挤压一下白色花瓣也能让其变透明一样:挤压破坏含气空间,并且细胞破碎释放的细胞液也填充进了这些含气空间,同样消除了全反射界面。

事实上,在生活中我们也能见到类似的现象。例如夏天时,运动过后浑身出的汗浸透了衣服,那么对于穿白色衣服的女生就要当心了——湿透的白色衣服会更加显得透明,因而有暴露内衣的隐患。这是同样也是由于汗水浸润了衣物纤维间的含气空间,消除了空气和纤维表面形成的全反射界面所致。同样的,深色织物被水浸湿后显得颜色更暗也是同样的原理,只不过现象相反——由于浸湿的织物光线漫反射的比例减小,因此通过漫反射而进入人眼的光线减少,而织物本身并不发光,因此浸湿的地方看上去显得更暗了。

不需要染料的颜色

事实上,这种依靠全反射和漫反射呈现“白色”的方式,在物理学上属于广义的“结构色”。所谓“结构色”,指的就不同于传统染料那样,依靠特定物质分子对特定波长光的吸收而显示颜色,而是依靠物体本身的结构特性,让照射到其上的光产生干涉、衍射、折射、反射等现象,从而产生不同的颜色。不过在应用中,“结构色”一词通常用来描述产生非白色色光的情况。在我们生活中,甲虫、蝴蝶和一些鸟类羽毛等具有的鲜艳的色彩,就是因为其表面具有细小的毛、沟、鳞片等结构,光线在这些结构间发生干涉,从而产生艳丽的颜色。我们常用的光盘所产生的“彩虹光”,其实也是一种结构色。

结构色和普通的染料染色相比,具有其颜色只和结构相关,不和物质性质相关的特点,因此不会因为氧化、老化等过程而退色,此外,很多结构色从不同角度看去会具有不同的颜色,这也让结构色有了新的应用领域。目前,科学家们正在积极研发新的材料和表面结构,可以相信今后的生活和生产中,结构色将得到越来越多的应用。