世界十大绝美建筑之作（世界上最大的睡莲）

捷克共和国利贝雷茨植物园的园长Petra Putova展示了世界上最小的睡莲——侏儒卢旺达睡莲（Nymphaea thermarum），旁边是世界上最大的亚马逊王莲（Victoria amazonica）。摄影：RADEK PETRASEK, CTK/AP IMAGES

撰文：RICHARD SIMA

长期以来，巨大的亚马逊王莲因其美丽的外形和可观的尺寸而令科学家、建筑师和艺术家着迷。然而，亚马逊王莲的叶子如何能够长到3米宽，强大到足以支撑一个小孩子的重量，直到现在都是个谜。

一个由英国和法国科学家组成的研究小组研究了这些亚马逊王莲的力学原理，他们发现树叶上有一个树枝状的、梁状的脉网，这种脉网的强度和结构支撑都得到了优化。牛津大学植物园和树木园副主任Chris Thorogood曾称之为“一个巨大的植物学之谜”。这个小组的研究发表在2月的《科学进展》上，挖掘出了这一谜题的指导意义——能激发更好的建筑工程与设计，特别是在浮动结构方面。

Thorogood说：“我们通过实证实验和数学建模得出的结论是，这些叶子具有独特的强度和刚性的灵活性，它们才能够真正长大，”他是这项研究的通讯作者。

植物园艺师Alberto Trinco展示了伦敦邱园的世界上最大的睡莲——亚马逊王莲的一片上翻叶片。摄影：DOMINIC LIPINSKI, PA IMAGES/GETTY IMAGES

引人注目的叶脉

从上面看，亚马逊王莲的叶子就像一个大的绿色餐盘，边缘上翘。它的美丽和力量的源泉只有从下面才能看到。

“当我们把叶子从池塘里捞出来，公众看到它们时，他们实际上惊叹于叶子的美丽。”Thorogood说。“它们美得令人吃惊”。

叶子的底部完全被一个分形的刺状脉络所覆盖，这些脉络从中央的茎部向外辐射。主脉变得更细，在接近叶子边缘时分成分支。它们以一定的间隔与其他脉络相交，形成同心圆，是这种睡莲属特有的。整体效果非常鼓舞人心的：在叶子的深绿色或红色的衬托下，有一张错综复杂的黄色静脉网。（亚马逊王莲有两个姊妹品种，背面颜色不同。）

亚马逊王莲是由英国探险家于1801年在南美洲发现的。它很快在维多利亚时代的英国流行起来，在那里，它的属名“维多利亚”是为了纪念年轻的维多利亚女王，这种植物成为了大英帝国的象征。

但它不仅仅是一个象征，因为植物学家们一再试图在人工环境下栽培它。Tatiana Holway在她的书《帝国之花》中写道：“这是一种痴迷。”“在维多利亚时代，一些最杰出、最富有进取心的人汇聚在一起，努力从赤道附近的荒野中找回这种无与伦比的珍奇植物，在英国培育这种植物，这是一项史诗般的探索，吸引了全世界的目光。”

英国园丁和建筑师Joseph Paxton是第一个成功栽培亚马逊王莲的人。这激发了他设计水晶宫的灵感，水晶宫是伦敦的一个铸铁和玻璃的地标，为1851年的“世界博览会”（Great Exhibition）而建造（后来被火烧毁）。

“大自然是工程师，”帕克斯顿在1850年对皇家艺术协会的讲话中说。“大自然为叶子提供了纵横交错的大梁和支撑，我借用了这个设计，并在这座建筑中采用了这些支撑。”

Paxton对睡莲的结构优势有着直观的把握——但直到现在，Thorogood和他的同事才弄清楚运作机制。

对一片叶子进行测试

研究人员身穿防水潜水衣，爬进了牛津大学植物园的大型加热池塘，以实验性地测量叶子对重量的反应。

曼彻斯特大学流体力学研究员、该研究的主要作者Finn Box说：“我一直在寻找这个机会，爬到池塘里，戳戳睡莲。”“这非常有趣。”

要长到3米宽——远远大于其他睡莲，亚马逊王莲需要很强壮。叶脉之间的组织只有大约一毫米厚。叶子漂浮于水支撑着它的重量，但它需要承受热带风暴的降雨或鸟儿走过的重量而不被撕碎和淹没。

“一旦一片叶子被淹没，那么它就会失去它在表面可以进行光合作用的空间，”Box说。

亚马逊王莲的秘密就在于它突出的维管系统，这是小型睡莲缺乏的生物机制：它们类似于扁平的盘子，有薄薄的、几乎看不出来的脉络。

Box和他的同事通过一系列的压力测试来测量亚马逊王莲的强度。首先，他们将一米长的睡莲叶子从固定在下面泥土上的茎上分离出来，并将叶子拖到池塘的边缘。他们小心翼翼地避开覆盖在叶子底部的一厘米长的凶猛的刺，以保护叶子免受鱼的啃咬。

他们用相机记录了每片叶子在他们按压它或在它上面放置一个重物时的压痕和变形程度。这种压力测试表明，亚马逊王莲的叶子比其他更常见的睡莲物种上的小叶子要硬得多，因此也更结实。

研究小组使用计算机模型和一个三维打印的测试样本，测试了他们关于亚马逊王莲如何做到这一点的假设。他们发现亚马逊王莲的支脉，在靠近中心的地方开始很粗，向叶子的边缘逐渐变细，均匀地分配叶子的重量。它们使叶子变硬并得到支持，同时当叶子变形时，例如被鸟的脚踩到时，可以弹性地反弹，而且它们以一种非常有效的方式做到这一点。

对它自己和人类分别有什么好处

亚马逊王莲在亚马逊盆地的季节性洪水泛滥的地区茁壮生长，在水再次消失之前，它有大约六个月的时间来生长。在这期间，它巨大的叶子能够吸收最多的阳光。

叶子上的叶脉基本上使睡莲能够覆盖更多的表面积进行光合作用。相比之下，较小的普通睡莲的普通叶片根本无法承受这么大的重量。

“表面积越大，能进行的光合作用就越多，”Box说。“植物物质和光合作用能力之间的这种经济性对它们来说显然很重要。”

人类已经开发了从植物中获得灵感的仿生应用，例如从牛蒡植物的毛刺中获得的尼龙搭扣灵感和从荷叶中学到的自洁表面。从大型浮动叶片中获得启示并不牵强；除了改善浮动结构的设计，它还可以为海上风力涡轮机甚至漂浮 “海岛”社会开启新的成本效益设计。2008年，比利时建筑师Vincent Callebaut根据亚马逊王莲的结构设计了一个浮动城市，名为“Lilypad--气候难民的浮动生态城市”。

“也许我们工程师可以采取的做法是：嘿，有没有人想过分支的大梁或有不同截面的大梁？’”Box问道。“我想，当你不得不回到你自己的世界，思考你在生物世界中遇到的一些事情时，也许你已经取得了进步。”

有一天，人类利用漂浮在亚马逊王莲启发的平台上的太阳能电池板来收集尽可能多的阳光——就像这种植物数百万年来所做的那样，这是一种富有诗意的想法。

“这是一个类似的想法，”Box说。“那么，为什么我们不能从已经进化出最佳解决方案的自然实例中学习呢？”

（译者：张淏然）