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“調(diào)光大師”的大師課

2024-08-15 00:00:00大科技
飛碟探索 2024年2期

現(xiàn)代社會,自拍幾乎是人人都會的技能,而在拍攝過程中光線是至關(guān)重要的,一張成功的自拍離不開恰到好處的光線。調(diào)光這件事,也許我們可以向植物學(xué)習(xí),畢竟它們可算是史上最早的“調(diào)光大師”。

花瓣上的玄機

別看我們?nèi)庋劭吹降闹参锏幕ò旰孟穹浅9饣?,但在科學(xué)家的顯微鏡下,它們其實有著非常復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。

幾乎所有植物的花瓣和葉子都具有疏水性,這得益于其表面覆蓋的蠟層。蓮花的花瓣更勝一籌,它的蠟層不僅能疏水還能除塵——這就是蓮花“出淤泥而不染”的奧秘。在蓮花花瓣上,石蠟分子排列成一個個大約0.2毫米高的錐形塔,一個個小塔順著花瓣排布成復(fù)雜的分形圖案。當(dāng)水滴落到蓮花花瓣上時,它根本無法“站穩(wěn)”,而是在錐形塔間徘徊,慢慢積聚成更大的球形液滴。這些液滴在花瓣上滾動,沿途像拖地一樣將花瓣上的污垢匯在一處,最后帶著污垢滑落到地上。

石蠟分子層的作用不僅如此?;ò昱c蝴蝶翅膀一樣,姹紫嫣紅、五彩繽紛,之所以會這樣,除了它們本身含有多種色素外,還與其表面石蠟分子的微結(jié)構(gòu)有關(guān)。將蝴蝶翅膀在顯微鏡下放大5 0 0 0倍觀察,我們能看到一幅波瀾壯闊的“地形圖”:“山脊”“溝壑”“河流”應(yīng)有盡有,這都是蝴蝶鱗片堆疊形成的形狀。鱗片堆疊出諸如眼點、條紋和漸變圖案,在光線強弱和視角變化下,會呈現(xiàn)出絢爛的色彩?;ò暌膊诲囟嘧?,不同種類花瓣的石蠟分子排列方式各不相同,分子間隙也不一樣。因此,光線在花瓣上發(fā)生的折射和衍射現(xiàn)象也不同,花朵的萬紫千紅就出現(xiàn)了。

愛和恨,全由你“操縱”

花瓣的微結(jié)構(gòu)為什么這么復(fù)雜?是因為“愛美”嗎?其實,它們是以此“操縱”蜜蜂。

蜜蜂是幫助植物傳粉的最大功臣,如果蜜蜂滅絕了,整個生態(tài)系統(tǒng)很快就會崩潰。而在多年的互助互利的生活中,植物還學(xué)會了除用花蜜引誘外更好地吸引蜜蜂的方法,那就是“光控”——通過調(diào)光改變花色,以此吸引蜜蜂,這也是針對蜜蜂的視覺系統(tǒng)進化而來的。

蜜蜂與人類相似,是三色視者,不同的是人能看到的色彩由紅色、藍(lán)色和綠色組合而成,蜜蜂眼里的卻是紫色、藍(lán)色和綠色。由于這點不同,花朵傾向于變成藍(lán)紫色,即使沒有相應(yīng)的色素,它們也會改變結(jié)構(gòu)來呈現(xiàn)出更多的藍(lán)紫色。由此,一些鮮花也衍生了僅能被蜜蜂看見的美麗圖案,比如在紫光燈下,向日葵、報春花和紫羅蘭的花瓣上就出現(xiàn)了更加繁復(fù)的圖案,這些圖案能讓蜜蜂在萬花叢中一眼將它們區(qū)分出來。

蜜蜂也比人類能更快地看到顏色,它們的色覺非常敏銳。在高速飛行中,我們可能難以區(qū)分不同的花朵,但蜜蜂可以看清每一朵花。而且,在蜜蜂不停移動的過程中,花瓣會根據(jù)角度改變顏色,蜜蜂看到了這些因為變色而像在閃光的花瓣,就像接收到了花瓣發(fā)出的信號:“我有甘甜的花蜜,快來??!”于是,蜜蜂義無反顧地向著花朵飛去,花也因此實現(xiàn)了授粉的需求。

花朵確實利用光線和花色給蜜蜂發(fā)出了信號,在多年的演化過程中,蜜蜂也早就將這些信號與花蜜聯(lián)系在了一起。英國劍橋大學(xué)的研究人員做了一個實驗:他們用塑料片制作了兩種人造花,一種花呈現(xiàn)出彩虹色,另一種則仿照真花發(fā)出藍(lán)綠或藍(lán)紫色的光暈;研究人員在這兩種花的附近都放了一小盞糖水,以觀察蜜蜂的去向。實驗結(jié)果是,即使兩種花附近的糖水完全相同,當(dāng)它們同時出現(xiàn)時,蜜蜂還是第一時間飛向了藍(lán)紫色的花。

“調(diào)光大師”

植物對光的調(diào)控可謂爐火純青,除了“操縱”蜜蜂,還能“捕獲”太陽光。

生物物理學(xué)家格里高利·恩格爾觀察過光合作用的全過程。他將一種原始的光合生物綠硫菌冷卻到-1 9 5℃,在這種情況下,綠硫菌所有的生化過程都會下降到最低點,這有利于對光合作用的觀察。研究人員用波長極短、能量很高的激光脈沖對綠硫菌進行照射,通過操縱激光,研究人員可以跟蹤細(xì)菌光合作用過程中的能量流。

結(jié)果表明,在捕獲光能的過程中,光就像一個“迷路”的孩子,穿越葉綠體“迷宮”時會沿著兩條以上的路線出發(fā),但每個方向都會撞上沿途的色素粒子,這些粒子會將一束束光波帶到最終的反應(yīng)區(qū)域。葉綠體的這種工作模式在植物中比比皆是,大大增強了植物捕獲光的能力。植物可“鎖住”大約9 5% 的照射到自己身上的光線的光能,并將其轉(zhuǎn)換為化學(xué)能,而該過程時間僅為千萬億分之一秒,甚至更短。

人類利用太陽能的效率與植物相比遜色不少。之所以會這樣,很大一個原因就是,太陽能在電池板內(nèi)傳遞的過程中被不斷轉(zhuǎn)化成熱能消耗掉了。

向植物學(xué)習(xí)是一個好方法。吉林大學(xué)的一個研究小組利用生物技術(shù)做了一個完整的“葉綠體”,然后通過光譜分析和電鏡觀察等方法,確認(rèn)它發(fā)揮著與天然葉綠體相同的能量轉(zhuǎn)換功能。未來,這種人造葉綠體或可作為能量傳遞的一分子,被安裝到太陽能板上。

當(dāng)我們還在糾結(jié)如何運用和調(diào)控光時,不妨好好向“調(diào)光大師”請教,認(rèn)認(rèn)真真上一堂“大師課”。畢竟,植物運用光的歷史比我們可早了好幾億年。

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