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自然中的热现象: 沙漠仙人掌的独特调温调湿功效

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发表于 2020-3-13 18:39:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
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仙人掌(见图1),别名仙巴掌、观音掌、霸王、火掌等, 是仙人掌科的多肉植物,全球分布种类繁多,大约有两千余种。仙人掌,喜强烈光照、 耐炎热、干旱、瘠薄, 生命力顽强,通常生长于热带或亚热带的干旱地区,尤其能在沙漠中生存下来,素有“沙漠英雄花”的美誉。我们知道,沙漠中环境温度高低变化异常,且干旱导致几乎很少生物能生存下来。那么,仙人掌有哪些特异的温湿度调控机制呢?

“物竞天择,适者生存”,仙人掌为了适应干旱少雨的沙漠环境,在长期的自然进化中激发产生了独特的生物构造,形成了适应于沙漠地带干旱气候的独特叶、根和茎结构。

在漫长的自然进化过程中,仙人掌不断改变着自己的叶片构造形态,叶子便逐渐退化,渐渐地不见了,变成了根根肉刺或密密麻麻的茸毛,从根本上减少了叶面蒸腾面积,紧缩了水分开支,进而最大限度地减少水分蒸腾作用。从本质上讲,仙人掌刺就是仙人掌的叶子。此外,仙人掌刺(见图2)的形貌构造也非常奇特。中国科研人员在国际权威期刊NatureCommunications (2012, 3: 1247)和AdvancedMaterials(2013, 25(41): 5937-5942)报道指出,仙人掌刺呈针锥状,其表面配置有梯度槽道,靠近尖端的槽道窄小,而靠近根部的槽道宽大,表面整体呈疏水性,多尺度沟槽结构的配置使得水珠(空气中雾滴)能自发地从刺的尖部定向运动到根部,进而通过根部毛状体吸入体内补充水分。需指出的是,仙人掌刺的多尺度沟槽结构表面上存在着独特的润湿特性梯度,即表面自由能梯度和拉普拉斯压力梯度,在此梯度的协同作用下,仙人掌刺能在夜间低温时高效收集空气中的雾滴。

仙人掌的根部构造也较特别。根部伸展得很远,覆盖面积大,有强大的根系分支来摄取地下的水分。并且,在雨季时还会发出许多新根,尽可能多地吸水而储存于体内。

仙人掌的茎是肉质组织,体内水分多时就会变得粗大肥厚,表面有层蜡质的存在使得其不受强光的照射而干枯,即蜡质保护层可以避免水分流失。当旱季到来时,仙人掌的根会枯萎、脱落以保持水分的供应。随着含水量减少,茎部也会收缩,自身生长放缓,进入休眠期。

仙人掌独特的调温调湿的功效,将为沙漠地区取水装置的研发提供了新的素材和启迪。

《自然中的热现象》系列报道回顾
系列报道(4): 沙漠仙人掌的独特调湿功效

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