研究玫瑰花瓣为什么会卷出尖角，居然发了一篇Science正刊
发布时间:2025-05-23
别再抱怨自己的课题不行啦！
继上次刷到一篇煮鸡蛋发了Nature子刊之后，
我又刷到了一篇有趣的文章
研究玫瑰花瓣为什么会卷出尖角，居然发了一篇Science正刊！！！
这篇名为《Geometrically frustrated rose petals》的文章，今年5月发表在Science正刊，让我们一起看看文章都说了啥。
文章探究了玫瑰花瓣的形状，发现它们的生长遵循的是一种自然界前所未见的几何机制。
这里首先要介绍一下自然界中涉及的一个几何概念，Gauss incompatibility：高斯不兼容性。
普通自然界的叶子或者花瓣都遵循高斯不兼容性。
高斯不兼容性是说材料的生长会导致曲率无法协调时，会触发失稳，形成复杂形状。
比如说蕨类的叶子，边缘长得快，中间长得慢，就会使边缘呈现波浪形。
但是玫瑰花是不一样的，它的花瓣边缘不会平整地弯曲，而是形成了很多聚焦的尖角。
图1
我们都见过玫瑰花，它们的花瓣边缘无法形成单一卷曲，而是在多个分段卷曲之间产生尖锐的过渡点。图里是一朵新鲜的红玫瑰，可以看到花瓣的边缘有很标志的尖角形状（图1A）。
将花瓣摘出来，由中心到外层，同时也是相当于按从幼嫩到成熟排列出来（图1B），然后就会发现，幼嫩的花瓣是光滑的扇形，变成熟变老以后，边缘就会卷曲，而且越成熟的卷曲形成的尖锐的角就会越多。
如果沿花瓣特定方向剪切窄条样本进行检测，就会发现平行于花瓣边缘切割的条带呈平坦状，而垂直于边缘切割的条带则呈现向下弯曲特征（图1C）。
而且随着花瓣生长成熟，它的曲率也会越来越大，也就是越来越弯曲（图1D）。
通过进一步的计算发现，玫瑰花的花瓣不遵循平滑卷曲的高斯不兼容性，而是由于残余应力，最终导致光滑构型失稳，形成尖角。
所以研究者提出了另外一个理论，玫瑰花的花瓣形状遵循的是MCP（ Mainardi-Codazzi-Peterson）不兼容性（图2）。
图2
研究发现，还没有形成尖点的幼嫩花瓣与刚形成尖点的花瓣在组织特性上没有显著差异：它们都会保持光滑的凸形边缘轮廓（图3A、B），且脉络网分布均匀。
但是如果是已经形成了尖尖很久的成熟花瓣，尖点区域会出现凹形畸变（图3C）。
随着花瓣进一步衰老，这种凹形形态会越来越明显，尖点处还会出现血管系统的扭曲甚至损伤迹象（图3D）。
这种现象在多个玫瑰品种中都会出现。
图3（cusp：尖点；convex：凸面的；concave：凹面的。）
研究者选了一朵新鲜的花朵，挑选了两个新鲜娇嫩的尖点（图4A），标记为i和0。在i的位置的花瓣背后用墨水做一个小小的标记（图4B）。
第0天，将i点的尖尖手动翻开，使花瓣在一个新的点ii形成一个尖尖（图4C），
然后让它生长6天。第6天的时候把0、i、ii都剪下来。
原始尖点i区域（图4F）：花瓣边缘呈典型凸形结构，细胞排列与周围组织没有显著差异，维管系统完整无损伤。
人工移位尖点ii区域（图4G）：边缘形成明显凹形结构，出现组织断裂等力学损伤特征，维管束呈现扭曲变形。
对照组尖点0区域（图4H）：与人工尖点类似，呈现凹形损伤。说明了尖点效应的可重复性。
图4
Zhang Y, Cohen OY, Moshe M, Sharon E. Geometrically frustrated rose petals. Science. 2025;388(6746):520-524. doi:10.1126/science.adt0672
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