你一定想不到,达芬奇对他的苹果树做了什么
发布时间:2020-06-28
出品:科普中国
制作:牟福朋
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  对于人类来说,输液是一种常见的给药方法。药物直接通过针头进入静脉,然后由心脏输送到全身各处,比口服吃药的方法见效更快些。可是我们经常也会看到路边的树木上也挂着输液袋或注射器,就像这样:

  

  (图片来源:chemjettreeinjector.comnairaland.com

  大树也需要输液治病吗?大树又没有血液循环,给它输液有什么作用呢?其实,虽然大树没有心脏和血管,但是大树输液确实是一种有效为树木提供营养和保护的手段。说起这个,还要从大树输液的起源和历史讲起。

  脑洞大开的发明

  根据一位植物学家的记载,早在约800年前,中东的一些园丁就尝试过用针将液体直接打入植物,想要改变植物的颜色和味道。这些尝试最后结果如何,我们也不得而知了。而另一位有本可证的尝试植物注射的人,就是文艺复兴时代的大发明家达芬奇。但是达芬奇给苹果树注射的既不是营养,也不是药物,而是……砒霜一类的毒药,目的是防止行人偷苹果。不过芬奇大爷,这么一注射,您自己也吃不成苹果了啊?大家就是大家,脑洞自然和常人不同啊。

  

  (图片来源:改自biography.com

  与此相比,直到17世纪,英国的哈维才发现了人体血液循环的规律,而建立在这一基础上的人体静脉注射肯定也是在这之后才出现的事。这样算来,人们给大树输液的历史可要比给人输液的历史久远很多。

  大树的“动脉”

  那么,人们输到大树体内的液体都去了哪儿?它们在树体内是如何流动的呢?

  植物作为活着的生命体,自然需要新陈代谢和物质交换。如果植物体积较小,那么靠细胞和细胞之间的直接交换就可以满足物质交流的需要了,例如苔藓类的植物就是这样。这就好比某个国家如果非常小,那么这个国家也不必要投入大量的资源去建设高速公路和铁路了。

  但是对于大一些的植物——例如大树——来说,细胞数目太多,体积很大,光靠细胞之间的渗透交流就不够了。就好比我们中国土地面积非常辽阔,城市和人口众多,单靠渣土路和绿皮车就不行了,得有高速公路和高铁来进行物资交流。因此,植物进化出了自己的“高速公路”和“高铁”,那就是植物的维管系统。具有维管系统的植物称为维管植物,除了藻类和苔藓之外,其它常见的植物都属于维管植物。

  

  树干的横切面,导管就存在于木质部中。(图片来源:da-quan.net)

  而在维管系统中,起类似人体“动脉”作用的结构,是其中的导管。导管是一根根小管子,连通根和每一个分枝。植物由根部吸收的水分和无机盐类营养,都是通过导管向上输送给分枝,然后由分枝里的导管输送给叶子、花和果实等器官。导管藏在树干的木质部里,也就是树干里年轮的部分。有读者要问了,树干里从来没见过小管子啊?其实是因为太细了,用我们的肉眼无法观察到。在显微镜下,植物的树干长这样:

  

  图片来源:http://www.ledyardsawmill.org/logs-lumber/wood-science

  这些导管都是由死去的植物细胞首尾相连而组成的,管壁是死细胞留下的细胞壁,直径大约是几十微米到上百微米不等,而长度则跟植物的大小有关,小则数厘米,大则数十米。按照常理,管子应该是越粗越好,这样运量大,而且运送的物质多。但植物导管长得如此细微,却是别有用意。

  大树的特殊“心脏”

  对于动物来说,体内的血液循环是由心脏驱动的。植物没有心脏,所以就需要使用其它动力来源。植物导管把水从根部运送到顶端,其动力的来源之一是一种被称为“毛细现象”的物理原理。

  我们都有这样的体会:如果把一根吸管插到饮料里,那么吸管里的液面就要比周围的饮料液面高一点。这是液体内部的表面张力将液体表面沿吸管壁抬升的结果。如果管子越细,那么毛细现象就越强,液面上升得就越高。所以,植物把自己的导管做得尽量细,这样就可以利用毛细现象,把液体“吸”上较高的地方。

  

  毛细现象的演示:按照气压原理,各个管子里的液面应该一样高。但是我们可以发现,越细的管子里,液体越高,这就是毛细现象。(图片来源:mit.edu

  根据科学家的估算,这种毛细现象最多可以把水吸到1米高的地方。但是很多植物的高度都远不止1米,这说明植物有着其它的动力来源。后来人们发现,植物还可以通过渗透作用进行水分运输。把一颗枯萎的白菜泡在水里,会发现白菜吸水而重新饱满了起来,这就是由于白菜里的液体浓度比纯水高,因而能够把纯水中的水分子“吸”进白菜里。这种现象就称为渗透作用。植物的叶子部分由于进行光合作用而制造糖分,所以其液体浓度要比下方高,因此可以把水从下方“吸”上来。然而科学家计算之后发现,这种渗透吸力的大小也有限,最多可以把水吸到7米左右的地方。对于那些数十米的高大树木而言,这还是不够用。

  

  渗透作用的演示。在半透膜分隔的两个部分之间,水会从溶液浓度低的一侧流向浓度高的一侧,这种现象称为渗透作用。

  (图片来源:sciencenewsforstudents.org

  事实上,与前面两种作用相比,大树的蒸腾作用才是导管中液体上升的主要动力。植物所吸收的水分,只有很小一部分被植物利用了,而绝大部分的水,都通过植物叶片上的气孔直接耗散到空气中了,这个现象叫蒸腾作用。由于水分的不断散失,就可以把下面的水不断向上拉,可以产生高达数百个大气压的压力,因此即便高达百米的大树,它的叶子也可以获得来自根的水分。

  

  给植物的叶子套上袋子,可以观察到袋子上出现了水珠。这说明叶子向空气中释放水汽。这种现象就是蒸腾作用。(图片来源:51wendang.com

  大树采用上述的三种方法作为动力,使得其体内保持液体自下而上的流动,这对于大树来说是非常重要的生理活动。首先,借着这种流动,大树树冠的叶子可以获得来自根部的无机盐营养和水。其次,这种流动也可以提供植物细胞之间信号交流的途径。这跟动物的血液循环很类似,只不过动物的血液是循环的,而植物的汁液流动是单向的。这种单向流动的本意是为了植物更好地生活,但是它的直接结果是将土地里的水搬运到大气中,这加快了地球上水循环的速度,地球上水的活动更加频繁,使得地球充满了生机、活力和变数。

  给大树“输液”有啥好处?

  从上文中我们知道了,植物与动物类似,也有一个能够沟通整个身体的液体系统。因此,只要将药物或者营养通过管子输入到树木主干的木质部里,这些药物或营养就可以顺着导管而输送到植物全身了。

  

  (图片来源:treecarescience.com

  如果把营养直接放在根部附近的土壤里,就无法保证这些营养都被树木吸走。事实上,大部分营养都是被微生物吃掉了,输液就可以避免这个问题。再者,大城市中,为了保护市民的安全,不适宜喷撒农药,而输液不但可以有效地避免农药挥散到空气中,也可以避免人们接触到沾着药的植物叶片等。所以,随着全世界范围内城市化程度的提高,大树输液的技术就重新得到了人们的重视,我们也就频繁地在街上看到打着吊针的大树了。

  虽然大树输液有好处,但输液过程中要长时间地将自己的木质部暴露在空气中,容易导致虫害或者真菌感染。因此大树输液时要注意保护好伤口,以及尽量减少不必要的输液。

  不知读者朋友们是否留心观察过,大树输液所用的“药”都有哪几种呢?可以在下方留言互动哦。

  参考文献:

  曾庆军. (2012). 植物体内水分输运机理的动力学分析. 科技创新导报(26), 229+231.

  https://www.treecarescience.com/education-and-training/tree-injection/history-of-tree-injection

  Dmitry Sergeyevich Merezhkovsky. (2014). The Romance of Leonardo da Vinci: The Forerunner

  Doccola, Joseph & Wild, Peter. (2012). Tree Injection as an Alternative Method of Insecticide Application. 10.5772/29560.

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