Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Zhang Lijun (Vườn thực vật Vũ Hán, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc)
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Bạn còn nhớ bài viết "Bàn chân cây thường xuân" của thầy Diệp Thắng Đào trong sách giáo khoa tiểu học không?
Bài viết mô tả cây leo như sau: "Hóa ra cây leo có chân, và chân mọc trên thân cây. Ở mặt sau của thân cây, nơi cuống lá mọc, sáu hoặc bảy sợi nhánh giống như nhánh cây vươn ra, mỗi sợi giống như xúc tu của ốc sên. Các sợi nhánh có màu đỏ mềm, giống như lá non. Đây là chân của cây leo."
Giác hút của Parthenocissus tricuspidata (Nguồn ảnh: Yuan Minghui)
Ông Ye Shengtao quan sát cây thường xuân dưới góc nhìn của một nhà văn. Trên thực tế, phần chân của cây thường xuân mà ông nhắc đến chính là những giác hút.
Nhờ có giác hút, Parthenocissus tricuspidata là loài cây dẫn đầu trong thế giới cây leo. Nếu bạn không tin, bạn có thể quan sát kỹ. Sẽ không mất nhiều thời gian để làm cho các bức tường bên ngoài của tòa nhà tràn đầy sức sống và cây xanh tươi tốt.
Cây thường xuân bao phủ các bức tường bên ngoài của các tòa nhà (Nguồn ảnh: veer Gallery)
Giác hút - "chân" của cây leo
Parthenocissus, còn được gọi là cây leo tường, cây thường xuân đất và cây rết bay, thuộc chi Parthenocissus của họ Vitaceae. Đây là loại cây leo lâu năm, thân gỗ, rụng lá, giống như cây dây leo. Là một loài cây leo, việc leo lên cao với sự trợ giúp của các vật thể khác là kỹ năng sinh tồn của các loài cây như cây thường xuân.
Trong họ cây leo lớn, có nhiều cách leo khác nhau. Một số loài leo bằng cách cúi xuống và trèo qua các cành cây; một số biến đổi hoa, lá và thân thành tua cuốn; một số loài thực vật phát triển các giác hút, rễ phụ hoặc gai để tự cố định và đạt được mục đích bám lên trên; và một số loài cây thông minh hơn có nhiều chức năng được đề cập ở trên cùng một lúc, chỉ để hiện thực hóa ước mơ "bay qua mái hiên và đi trên tường" của chúng.
Các tua cuốn của cây thường xuân được chuyển đổi từ thân cây. Khi gặp bề mặt có thể leo trèo, phần đầu và ngọn của tua cuốn sẽ phát triển thành các giác hút, chúng sử dụng chúng để trèo lên cao nhằm tìm kiếm không gian phát triển.
Cuống và giác hút giống như "bàn tay" và "bàn chân" của cây leo. Cây thường xuân có thể bám chặt vào đá, tường hoặc cây bằng cả tay và chân.
Các tua cuốn và giác hút của Parthenocissus tricuspidata (Nguồn ảnh: do tác giả chụp)
Trong lĩnh vực thực vật học, người đầu tiên quan sát thấy cây leo là Darwin, người tiên phong của thuyết tiến hóa.
Khi quan sát chuyển động của tua cuốn của cây thường xuân Virginia (còn gọi là Parthenocissus tricuspidata), ông phát hiện ra rằng tua cuốn của một số cây sẽ tự thu lại sau khi quấn quanh cành hoặc que, và khi chạm vào bề mặt phẳng của gỗ hoặc tường, chúng sẽ uốn cong tất cả các tua cuốn về phía đó, trải ra thưa thớt và làm cho các cạnh của đầu móc của chúng chạm vào nó.
Sau khoảng hai ngày, phần đầu của tua cuốn sẽ phồng lên tạo thành một "miếng đệm nhỏ" có thể bám chặt, đây chính là thứ mà chúng ta gọi là "cốc hút".
Những tua cuốn không bám vào bất cứ thứ gì sẽ héo và rụng sau một hoặc hai tuần. Darwin đề xuất rằng các giác hút của cây leo sẽ không phát triển tích cực trừ khi chịu một số kích thích bên ngoài nhất định, chẳng hạn như tiếp xúc tạm thời với một số vật thể.
Nguồn hình ảnh: Darwin, "Những chuyển động và thói quen của cây leo"
2,8 triệu lần! Đế hút Ivy có khả năng hút cực mạnh!
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta thường sử dụng các vật dụng hút chân không như móc treo quần áo trên tường hay khay đựng đồ trong phòng tắm. Những cốc chân không này sử dụng áp suất không khí để hấp phụ và thường có thể chịu được trọng lượng lên tới vài kilôgam.
Nhưng so với cây thường xuân thì lực hút của cốc hút chân không chẳng là gì cả. Darwin phát hiện ra rằng một cành cây leo trưởng thành có tuổi đời hơn 10 năm chỉ còn lại một giác hút tiếp xúc với gốc cây. Khi treo một vật nặng hai pound (lực hấp dẫn khoảng 8,9 Newton) vào cành cây, giác hút vẫn có thể bám chặt vào bề mặt đế mà không bị rơi ra.
Các nhà khoa học đã thực hiện các phép đo chi tiết về lực hút của các giác hút của cây leo. Khối lượng trung bình của một cốc hút trưởng thành là khoảng 0,0005 gam, diện tích tiếp xúc bám dính trung bình với chất nền chỉ là 1,22 mm vuông và lực bám dính cao tới 13,7 Newton.
Các tính toán cho thấy một giác hút duy nhất có thể chịu được trọng lượng gấp 260 lần trọng lượng của chính nó, bao gồm trọng lượng do thân, lá, cành và tua cuốn tạo ra; và lực kéo tối đa mà giác hút có thể chịu được là 2,8 triệu lần trọng lượng của chính nó. Đây là một số liệu thống kê rất đáng kinh ngạc.
Như chúng ta đã biết, thằn lằn có khả năng bám dính rất tốt và có thể leo trèo hoặc thậm chí treo ngược mình trên nhiều bức tường khác nhau. Tuy nhiên, một giác hút trưởng thành có thể chịu được lực bám dính gấp 112 lần lực bám dính của chân thằn lằn.
Ngoài ra, dựa trên ước tính sơ bộ về diện tích tiếp xúc và lực hấp phụ của cốc hút, đầu ngón tay của "lòng bàn tay sinh học" được thiết kế mô phỏng cốc hút có thể hỗ trợ một người nặng 114 kg thông qua quá trình hấp phụ.
Đầu ngón tay của bàn tay làm bằng vật liệu giác hút gắn vào đế có thể đỡ được một người nặng 114 kg (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 1)
Một giác hút đã rất mạnh, nhưng hệ thống bám dính của cây thường xuân có nhiều giác hút cùng một lúc, cộng với cấu trúc xoắn ốc của tua cuốn như một "phích cắm", cho phép cây thường xuân leo thẳng đứng trên tường mà không sợ trọng lực và chịu được gió mạnh và mưa lớn.
Giác hút phát triển như thế nào? Bạn dán nó vào bằng cách nào?
Các nhà khoa học đề xuất rằng sự phát triển của một giác hút hoàn chỉnh từ đầu tua cuốn là một quá trình phức tạp dựa trên những thay đổi về hình thái và cấu trúc của giác hút.
Họ phát hiện ra rằng các nhánh tìm kiếm trên tua cuốn của cây leo có khả năng nhận dạng chất nền mạnh mẽ và có thể cảm nhận được liệu bề mặt chất nền có cho phép chúng bám chặt hay không. Sau khi tiếp xúc với kích thích, các tế bào cảm thụ non sẽ trải qua một loạt các quá trình phân chia và mở rộng tế bào phức tạp, trong khi các tế bào biểu bì và dưới biểu bì tích tụ một chất dính được tiết ra từ các tế bào biểu bì qua thành tế bào.
Chất nhầy này sẽ làm vỡ lớp biểu bì và chất nhầy tiết ra sẽ làm cho giác hút dính vào vật liệu, cuối cùng sẽ gắn chặt giác hút và chất nền lại với nhau.
Trong một cốc hút hoàn toàn dính chặt, chất nhầy chảy ra hoạt động giống như "băng dính hai mặt", lấp đầy mọi khoảng trống bên trong các tế bào biểu bì và khoảng trống giữa các tế bào biểu bì và chất nền.
Tìm kiếm các nhánh trên tua cuốn của cây leo (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 5)
Qua quan sát dưới kính hiển vi, giác hút của Parthenocissus tricuspidata được chia rõ ràng thành hai phần: vùng trung tâm và vùng ngoại vi.
Vùng ngoại vi là nơi chính tiết chất nhầy và kéo dài tế bào biểu bì ở giác hút. Các chỗ lõm không đều trên bề mặt chất nền được lấp đầy bởi chất nhầy chảy hoặc bởi các tế bào biểu bì, tạo thành lực cắn hoàn hảo giữa cốc hút và chất nền, do đó duy trì độ bám dính cực mạnh.
Trong các thí nghiệm sử dụng kính hiển vi điện tử quét, một số cấu trúc vi mô cốc hút mới và lạ cũng được phát hiện. Những cấu trúc xốp giống như bọt biển này tạo điều kiện cho chất nhầy chảy và vận chuyển, đồng thời có thể tăng cường đáng kể độ bám dính giữa cốc hút và chất nền.
Nguồn hình ảnh: Tham khảo 1
Khi các chồi bám chặt, các tua cuốn bắt đầu cuộn tròn, dày lên và trở nên cứng như gỗ, giúp cho các tua cuốn và chồi cuốn của cây leo có khả năng bám đáng kể.
Ngoài ra, các nhà khoa học còn quan sát thấy các giác hút của cây thường xuân được sắp xếp xen kẽ dọc theo trục chính của tua cuốn, điều này không chỉ tuân theo quy tắc đối xứng-bất đối xứng trong kiến trúc mà còn phù hợp với nguyên lý hấp phụ ổn định trong hóa học vật lý bề mặt.
Sự sắp xếp xen kẽ của các chồi bám dọc theo trục chính của tua cuốn là một ví dụ điển hình về cơ học kết cấu. Điều đáng kinh ngạc hơn nữa là mối tương quan hình học của các ống hút, tua cuốn và thân cây có những điểm tương đồng đáng kinh ngạc với sự phân bố của các nhánh và ống chính trong mạng lưới đường ống đô thị.
Phân bố của cây leo chồi (Nguồn ảnh: veer gallery)
Sơ đồ mô hình sắp xếp các giác hút Parthenocissus tricuspidata (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 2)
Bố trí nhánh đường ống (Nguồn ảnh: veer gallery)
"Chất keo" tiết ra từ cốc hút là gì?
Trong những năm đầu đời, Darwin cũng đã tiến hành các thí nghiệm về độ hòa tan của chất tiết dính ở các giác hút của cây leo. Ông đã thu thập một số chồi già từ các bức tường trát vữa và ngâm chúng trong nước nóng trong vài giờ. Sau đó, ông rửa bằng etanol và axit axetic và thấy rằng những viên đá nhỏ bám vào cốc hút vẫn cứng đầu và khó rơi ra.
Tuy nhiên, sau khi ngâm các giác hút trong ete trong một ngày, các hạt đá bắt đầu lỏng ra, và trong các loại tinh dầu nhẹ (chủ yếu là bạc hà và cỏ xạ hương), các hạt đá lỏng ra hoàn toàn chỉ sau vài giờ.
Kết quả của thí nghiệm về độ hòa tan dường như chỉ ra rằng thành phần kết dính trong giác hút của Parthenocissus tricuspidata là chất kết dính dạng nhựa.
Sau đó, thông qua các thí nghiệm nhuộm màu, các nhà khoa học phát hiện ra rằng chất dính do chồi thường xuân tiết ra rất có thể là một loại polysaccharide dính có tính axit; và các phương pháp miễn dịch hóa học hiện đại tiếp tục cho thấy rằng tính chất dính của chất tiết từ các chồi hút chủ yếu liên quan đến polysaccharide rhamnosegalacturonan đã bị phân nhánh.
Năm 2012, các nhà khoa học đã sử dụng phương pháp sắc ký lỏng hiệu suất cao/phổ khối để tách sơ bộ 21 thành phần hữu cơ trong chồi của Parthenocissus tricuspidata, phần lớn chứa các nguyên tố nitơ, lưu huỳnh và oxy. Các hợp chất chứa những nguyên tố này về cơ bản có thể tạo ra tính phân cực. Do đó, người ta suy đoán rằng liên kết hydro có thể là lực hấp phụ yếu được tạo ra bởi giác hút trong quá trình leo trèo.
Năm 2016, kính hiển vi phân cực cho thấy các tế bào vỏ của tế bào hút chứa tinh thể và thường có trong các tế bào trưởng thành. Các thử nghiệm về độ hòa tan trong axit cho thấy các tinh thể này là tinh thể hình kim được cấu thành từ canxi oxalat, còn gọi là tinh thể raphe. Các tinh thể hình kim được nhúng trong một ma trận hữu cơ và tạo thành các bó. Một lượng lớn nước có thể phá vỡ các bó tinh thể và tách từng tinh thể riêng lẻ.
Đặc điểm cấu trúc của tinh thể canxi oxalat (Nguồn ảnh: Tài liệu tham khảo 4)
Tinh thể canxi oxalat đóng vai trò hỗ trợ cơ học quan trọng và tăng cường độ ổn định của cốc hút trên chất nền. Ngoài ra, các tinh thể hình kim có thể giúp bảo vệ các chồi hút khỏi bị động vật ăn cỏ hoặc côn trùng ăn mất.
Độ ổn định của tinh thể rất cao. Một số người phát hiện rằng sau khi hòn đá mà cây thường xuân mọc lên đã trải qua 130 năm biến đổi của thiên nhiên, vẫn còn những tinh thể lắng đọng trên bề mặt đế hoặc xung quanh cốc hút.
Giả thuyết về cơ chế bám dính của cốc hút
1. Giả thuyết phản ứng giao diện
Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng cơ chế hấp phụ là phản ứng giao diện dẫn đến việc "neo chặt" cốc hút và hình thành áp suất âm do hít vào nitơ-oxy.
Chất nhầy do cây thường xuân tiết ra là một chất có tính axit yếu. Một phản ứng hóa học chậm sẽ xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa cốc hút và chất nền. Phản ứng này khó có thể phát hiện bằng mắt thường và các phương pháp phân tích thông thường.
Các sản phẩm hóa học của phản ứng giao diện hoạt động như chất độn siêu nhỏ ở cấp độ phân tử, có thể tăng cường đáng kể độ bám dính giữa cốc hút và chất nền.
Phản ứng hóa học tại giao diện này khiến cho cốc hút "neo chặt" vào bề mặt chất nền. Ngoài ra, khi ống hút phát triển, đầu của tua cuốn liên tục được kích thích bằng tiếp xúc và liên tục tiết ra chất tiết, do đó có một lượng không khí được bao bọc bên trong ống hút. Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, quá trình quang hợp tiêu thụ nitơ có trong chồi hút.
Đồng thời, phản ứng oxy hóa của một số chất tiết khử sẽ tiêu thụ oxy có trong vòm miệng.
Phản ứng quang hợp và oxy hóa tiêu thụ gần như toàn bộ khí có trong cốc hút, tạo ra áp suất âm bên trong cốc hút, do đó làm tăng cường độ bám dính giữa cốc hút và chất nền.
Ngoài ra, các lực tương tác yếu như lực hấp phụ, lực liên phân tử, lực tĩnh điện, lực mao dẫn và lực van der Waals cũng đóng vai trò hỗ trợ trong quá trình bám dính.
2. Giả thuyết tăng cường hệ thống đa cấp
Các nhà khoa học khác tin rằng, nhìn chung, giác hút có cấu trúc tương tự như bê tông cốt thép, trong đó các sợi thành tế bào giống như thanh thép, ma trận tế bào và chất nhầy hoạt động như xi măng, còn tinh thể giống như đá.
Trong môi trường tự nhiên, lớp biểu bì chứa đầy chất nhầy của giác hút sẽ mất nước và đông lại để tạo thành lớp bảo vệ chính; mô vỏ não giàu tinh thể làm tăng đáng kể sức mạnh cơ học của vỏ não, đây là hệ thống bảo vệ thứ cấp; Cột mạch có mạch gỗ phát triển tốt là hệ thống bảo vệ bậc ba, sẽ đóng vai trò khi hai hệ thống bảo vệ đầu tiên bị hỏng.
Cấu trúc hệ thống đa cấp được tăng cường này có thể đảm bảo độ ổn định và độ bền của lực bám dính của cốc hút ở mức cao nhất. Trong tự nhiên, nó có thể tồn tại từ 10 đến 130 năm hoặc thậm chí lâu hơn.
Tóm lại, nguyên lý hấp phụ của cốc hút phức tạp hơn nhiều so với những gì chúng ta tưởng tượng.
Cần có nghiên cứu sâu hơn để khám phá cấu trúc vi mô và cơ chế bám dính của cốc hút. Sức mạnh của thiên nhiên không chỉ tạo nên vẻ đẹp mà còn tạo nên điều kỳ diệu.
Tài liệu tham khảo:
1. Hà Thiên Tiên, Dương Văn Vũ, Đặng Văn Lí. Tổng hợp các kết quả nghiên cứu mới nhất và tiến độ nghiên cứu về Parthenocissus tricuspidata, một loài cây dây leo có khả năng siêu bám dính. Tiến bộ trong khoa học tự nhiên. 2008, (11): 1220-1225
2. Hạ Thiên Tiên. Nghiên cứu về khả năng bám dính của giác hút Parthenocissus tricuspidata. Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc. 2012. Luận án tiến sĩ.
3. Trương Lệ. Phân lập, tinh chế, đặc điểm cấu trúc và tính chất bám dính của polysaccharide chồi Parthenocissus tricuspidata. Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc. 2014. Luận án tiến sĩ.
4. Dương Tiểu Quân. Hình thái chức năng và cấu trúc của hệ thống bám dính của cây leo. Đại học Công nghệ Nam Trung Quốc. 2016. Luận án tiến sĩ.
5. Steinbrecher T, Beuchle G, Melzer B, và cộng sự. Sự phát triển về mặt cấu trúc và hình thái của hệ thống bám dính của Parthenocissus tricuspidata. Tạp chí Khoa học Thực vật Quốc tế 2011, 172: 1120-1129.
6. Đặng WL. Tua, đĩa dính và hiệu ứng siêu dính của cây leo. Có sẵn từ Nature Precedings (2008)
