“爬山虎的脚长在茎上。茎上长叶柄地方，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。”这是叶圣陶先生笔下的爬山虎的“脚”。

 

这应该也是大部分人眼里的爬山虎的“脚”，那么，在科学家眼里，爬山虎的“脚”会有什么不同吗？

 

用科学术语来称呼的话，爬山虎的“脚”应该叫做“吸盘”。华南理工大学材料科学与工程学院教授邓文礼首次测定了单个爬山虎干吸盘的质量、黏附力和黏附接触面积，并且利用扫描电子显微镜发现了一些新颖奇特的吸盘的微观结构。他还在这些实验结果的基础上提出了新的假说和新的模型来描述卷须和吸盘的黏附作用。他的工作得到了国家自然科学基金等资助，上述研究成果发表在最新一期的《自然科学进展》上。

 

 

爬山虎，也叫爬墙虎、飞天蜈蚣。它为葡萄科爬山虎属，是一种落叶多年生木质大藤本植物，具有异常顽强的生命力，能够抗旱、抗热、抗寒、抗虫害和病害。爬山虎原产我国，在北起长白山，南至广东、广西等地区内广泛分布。在石山、路边石坎儿、楼房外墙和高架路的水泥礅等各种地方都可以见到，其高度从几米到20多米。一年四季，它能够经受得住狂风暴雨的吹刷，紧紧地依附在各种各样的表面。

 

根据邓文礼的测量，单个成熟的爬山虎干吸盘的平均质量约为0.0005克，吸盘与基底的黏附接触面积平均也只有1.22平方毫米，而黏附力却达到13.7牛顿，能够承载的最大拉力是其自身重量的280万倍。

 

邓文礼告诉记者，粗略估计由吸盘材料仿生制作而成的手掌，一根手指尖（表面积大约为1平方厘米）吸附在衬底上就能承受114千克的人体重量。而这种仿生材料铸成的单个手掌完全吸附在衬底上时大约能够承受一头重达22.9吨的抹香鲸。

 

邓文礼把爬山虎这种强大的吸附力称为“超吸附力”。

 

 

爬山虎能利用卷须尖端形成的吸盘长时间地吸附在各种壁面上，那么其吸盘结构、黏附机理及其潜在应用又是怎样的呢？

 

邓文礼首先借助扫描电子显微镜对爬山虎成熟的干吸盘进行了全面而细致的观察。他发现在显微镜下可以看到许多平均直径约为5μm的微管和尺寸为5～15μm、类似海绵体的微孔。有些微管的内壁是相当光滑的，而有些则显示出竹节状。微孔的间壁是折叠的，类似于弹簧管的壁。不仅微管之间存在公用的管壁，微孔之间也有。此外，在微孔的内壁发现许多直径为1~4μm的颗粒。研究发现一个惊人的例子是，微管之间的连接好像大城市里复杂交错的高速公路网，某些地方微管的延伸就好像高速公路向左、向右、向前延伸一样。“这简直就是自然的力量创造出来的美景和奇迹。”邓文礼说道。

 

通过对爬山虎吸盘和卷须的微观结构的研究，根据发现的海绵状微孔、微管，还有折叠状的微孔壁和微管壁，邓文礼首次提出界面反应导致吸盘锚合和氮—氧吸入形成负压的吸附机理假设。邓文礼还认为，海绵状的微孔区域和细胞壁内的多孔区域类似，微管和微孔显然都有利于植物激素的传输和黏液的流动。微孔负责植物激素的分泌和积聚，微管负责植物激素的分流和运送。此外，从结构力学的观点来看，细胞群和吸盘细胞的海绵状结构强化了吸盘和衬底间的黏附强度。

 

邓文礼指出，爬山虎吸盘分泌的大部分生长素都是弱酸性物质，一种缓慢的化学反应在吸盘与衬底的接触面发生，这种反应很难通过肉眼和普通分析方法予以检测。界面反应的化学产物在分子层面扮演微填充物的角色，它能显著增强吸盘与基底之间的黏附力。这种界面化学反应导致吸盘在衬底表面锚合。此外，随着吸盘的生长和发育，卷须尖端受到持续的接触刺激，分泌物也源源不断地产生，这样就有部分空气被包在吸盘里。在生长和发育过程中，光合作用会消耗掉包在吸盘中的氮气；与此同时，某些分泌物还会发生氧化反应消耗掉包在吸盘里的氧气。光合作用和氧化反应几乎消耗掉包在吸盘里的所有气体，这样导致吸盘里形成负压从而加强吸盘与衬底之间的黏附强度。

 

邓文礼认为，弱相互作用力对黏附也有辅助作用，这些弱相互作用力包括吸附力、分子间力、静电力、毛细力和范德华力。

 

 

“爬山虎是一种具有多种经济价值的藤本植物，具有很大的开发利用潜力，其研究工作已经引起越来越多人的重视。不过，目前关于爬山虎的研究应用还主要集中在药理学研究和环境美化及保护方面。”邓文礼说：“这些研究成果远远不够，还存在很多可以应用的空间。很少有人从材料科学、材料化学、生物医学的角度去研究它，特别是在仿生材料方面，基本上还是一片空白。”

 

邓文礼的研究结果已经表明爬山虎吸盘的黏附作用是非常强的，这也有助于我们很好地理解为什么爬山虎攀附在垂直衬底上能够持久地经受住狂风的吹刮和暴雨的冲刷。

 

正是由于爬山虎吸盘具有超级黏附性，邓文礼认为在未来选择设计和合成一些优异的黏胶是完全可能的。他指出，这些具有可逆生理学作用的黏胶可以用在生物医学上，而具有可逆传导作用的黏胶则可以用在仿生学和生物分子电子学上。

 

邓文礼还指出，对于爬山虎的深入研究有利于充分了解和认识植物激素的分泌、积聚、传输和新陈代谢，可能开辟一个崭新的领域，在纳米尺度上研究植物体系中药物的传输、代谢和转换作用，以及寻找纳米技术在生物遗传和进化中的应用。

 

“爬山虎的器官在生长和发育过程中存在着涉及化学的、生物的、机械的和电信号的信号隧道效应。利用爬山虎作为原材料或半成品，仔细确定其吸盘的微结构和功能性，将会促进仿生和生物信息材料以及仿生器件的深入研究。”邓文礼最后说道：“为了重新认识吸盘的微结构和黏附机理、黏附作用力和吸盘微结构之间的关系，显然还需要更多的实验和理论的工作。这些工作也需要更多的科学家投身其中，来形成一个研究的合力。”

 

《科学时报》 (2008-11-10 A3 科学基金)