有透明的花瓣嗎？

最近，網上一組照片引起了大家的興趣：日本一種叫「サンカヨウ」的花朵，它的花開始時是白色的，而在淋雨之後，花瓣竟會變得和水晶一般晶瑩剔透，惹人喜愛。那麼這種花是什麼，它為何又會具有這種花瓣變透明的奇特本領呢？

小物種，大意義

圖中的植物，實際上是日本山荷葉（Diphylleia grayi ）了，是小檗科、山荷葉屬植物。山荷葉屬是一個小屬，屬內只包括三種植物，即日本山荷葉、南方山荷葉（D. sinensis）和北美山荷葉（D. cymosa）。其中，日本山荷葉分布在日本北部，也有報道分布在我國東北；南方山荷葉則分布於我國中西部如湖南、雲南、四川等地，而北美山荷葉則分布於美國東海岸地區。

山荷葉這個名稱的由來，源於它那大而圓的葉片。並且葉柄和荷花一樣，都是盾狀著生於葉片的背面靠近中央的位置。因此在還未開花之時，看上去就像山間生長的一片荷葉，因此而得名。此外由於葉片油光發亮，鮮翠欲滴，就好像盛滿水的綠碗一般，因此又有「江邊一碗水」、「一把傘」的俗名。

圖註：日本山荷葉的葉形很有特點

和小檗科的不少屬種一樣，山荷葉在地下也長有地下塊莖，由於地下塊莖中含有鬼臼毒素和其衍生物，因此它的塊莖經常和屬於鬼臼屬（Dysosma）的六角蓮、八角蓮等一起，被挖掘作為藥物使用，因此在我國，南方山荷葉已經處於較為瀕危的處境，亟待進行資源保護。

山荷葉的價值不僅僅在於藥用，而且對於研究地理變動、物種遷移等區系地理學也有著重要意義。山荷葉屬的三種植物屬於典型的東亞-北美間斷分布種，所謂間斷分布，就是相近的物種類群分散的分布於一系列地區。這代表這些物種的共同原始祖先曾廣泛分布於這些地區，而後隨著地質變遷從而被割裂，並進行獨自演化。以山荷葉為例，它在我國中南、日本、北美的分布，就很可能代表其共同祖先可能通過白令陸橋擴散於北美和東亞，而由於冰川和隨後冰川消退造成的白令陸橋斷裂，從而分化為3個不同的物種。

變身「水晶花」

山荷葉的花有六枚花瓣，並排成兩輪，花瓣的寬窄在不同個體間有較大差異。在開花初期，花瓣是乳白色的，而至於它為什麼會變透明，這實際上涉及到了花瓣的表面和內部性質，以及其所造成的光學特性的變化。

我們看到的色彩斑斕的花朵，大多數都是由於其細胞內含有花青素、類胡蘿蔔素等色素物質所致。然而，對於白色的花來說，並非是細胞含有白色的色素，而是由花瓣細胞高度空泡化的結構所致。花瓣中含有眾多填充空氣的小泡和細胞間隙，它們和無色的細胞間形成了眾多的反射界面。並且，由於細胞內液和空氣的折射率相差較大，因此在細胞表面可以形成全反射界面。當外界光線射入花瓣後，光線在這些反射界面處發生了強烈的全反射和漫反射，當反射的光進入人眼後，我們就看到花瓣呈現為白色。

圖註：花瓣的橫切，intercelluar space和lacunea分別指細胞間隙和小泡，內部填充有空氣。

通常，花瓣表面並非我們肉眼看上去那麼光滑。花瓣表皮細胞會形成眾多突起，且細胞表面覆蓋有蠟質成分，以此形成一個疏水界面，防止水填充進這些含氣的空間——因為自然界中的水是病原入侵植物的主要途徑之一。如果有植物攝影愛好者，一定會對花瓣上的水珠記憶深刻：這些水珠都形成一個個晶瑩剔透的小球，吸附在花瓣上，稍微的抖動並不會讓水珠滑落。這實際上是一個物理現象：由於花瓣是不易被水浸潤的，因此花瓣上的水珠因為表面張力收縮成一個球形，這就是所謂的「Petal effect（花瓣效應）」。值得注意的是，這種「花瓣效應」雖然和荷葉表面滾動水珠的所謂「lotus effect（荷葉效應）」形成的原理相似，但效果是不同的：花瓣效應中，水珠和花瓣的接觸位置有一定黏附性，因此水珠不會隨意滾動，而荷葉效應中，這種黏附性也很低，因此水滴很容易滑落。荷葉就是依靠這種效應來讓雨水沖走灰塵，做到「出淤泥而不染」的。

圖註：玫瑰/月季花瓣表皮細胞的突起。注意本圖是掃描電鏡圖，顏色是偽彩，不是真實顏色。

圖註：花瓣效應和荷葉效應的比較。可以看到花瓣效應中水珠能夠填充到細胞突起之間，但並不充分浸潤花瓣

圖註：花瓣效應中，水珠不但不會隨意滾動，而且甚至在倒置時都不會滾落。

但是在一些情況下，水是可以突破植物的這層「疏水屏障」的：例如由於物種差異，花瓣本身蠟質層較薄；或花瓣衰老、表皮細胞間隙增加；或被水長時間浸泡等。在這些情況下，水就會侵入花瓣內的細胞間隙和空泡中。由於葉片內部細胞表面沒有蠟質層覆蓋，且植物細胞壁的纖維素、半纖維素、果膠等成分是親水性的，因此水分會很快填充和浸潤整個花瓣內部空間，從而消除了原本廣泛存在的空氣-液體界面，進而失去了造成廣泛漫反射的條件。由於細胞液的折射率和水相近，因此光線透射的部分增加，花瓣就顯的透明了。這和我們擠壓一下白色花瓣也能讓其變透明一樣：擠壓破壞含氣空間，並且細胞破碎釋放的細胞液也填充進了這些含氣空間，同樣消除了全反射界面。

圖註：從這張圖可見，透明化是從葉片邊緣沿著葉脈開始的，這可能是水從花瓣邊緣的葉脈開口處開始浸潤的緣故。

事實上，在生活中我們也能見到類似的現象。例如夏天時，運動過後渾身出的汗浸透了衣服，那麼對於穿白色衣服的女生就要當心了——濕透的白色衣服會更加顯得透明，因而有暴露內衣的隱患。這是同樣也是由於汗水浸潤了衣物纖維間的含氣空間，消除了空氣和纖維表面形成的全反射界面所致。同樣的，深色織物被水浸濕後顯得顏色更暗也是同樣的原理，只不過現象相反——由於浸濕的織物光線漫反射的比例減小，因此通過漫反射而進入人眼的光線減少，而織物本身並不發光，因此浸濕的地方看上去顯得更暗了。

不需要染料的顏色

事實上，這種依靠全反射和漫反射呈現「白色」的方式，在物理學上屬於廣義的「結構色」。所謂「結構色」，指的就不同於傳統染料那樣，依靠特定物質分子對特定波長光的吸收而顯示顏色，而是依靠物體本身的結構特性，讓照射到其上的光產生干涉、衍射、折射、反射等現象，從而產生不同的顏色。不過在應用中，「結構色」一詞通常用來描述產生非白色色光的情況。在我們生活中，甲蟲、蝴蝶和一些鳥類羽毛等具有的鮮艷的色彩，就是因為其表面具有細小的毛、溝、鱗片等結構，光線在這些結構間發生干涉，從而產生艷麗的顏色。我們常用的光碟所產生的「彩虹光」，其實也是一種結構色。

圖註：光碟上的「彩虹色」其實也是一種結構色。

結構色和普通的染料染色相比，具有其顏色只和結構相關，不和物質性質相關的特點，因此不會因為氧化、老化等過程而退色，此外，很多結構色從不同角度看去會具有不同的顏色，這也讓結構色有了新的應用領域。目前，科學家們正在積極研發新的材料和表面結構，可以相信今後的生活和生產中，結構色將得到越來越多的應用。

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