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其實和人會(hui) 衰老、麵部產(chan) 生皺紋一樣，植物因為(wei) 各種各樣的原因，也會(hui) 在表麵產(chan) 生褶皺。辣椒表麵的褶皺便吸引了科學家們(men) 探索其中的奧秘。

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01

辣椒表麵褶皺的形成原因

辣椒因為(wei) 幹燥產(chan) 生褶皺是日常生活中常見的現象，但是如果要細細分析為(wei) 什麽(me) 會(hui) 產(chan) 生這樣複雜的褶皺，並不是一件簡單的事情。

近期，我國科學家利用數學物理等相關(guan) 的星空体育官网入口网站，進行了環形核殼結構物質表麵複雜形貌的演化實驗與(yu) 一係列的理論計算來解釋辣椒表麵褶皺的成因。

環形核殼結構辣椒。圖片來源：參考文獻[1]

隨著不斷的生長，很多辣椒長成了彎曲的環形結構，再加上辣椒內(nei) 部空心，研究者將辣椒歸類為(wei) 環形核殼結構物質。

研究者表示辣椒表麵的褶皺受到很多內(nei) 在和外在因素的共同影響。而幾何結構是影響辣椒表麵褶皺的重要物理因素。

在幾何結構中，環形核殼結構物質的曲率是最典型的特征。環形結構包含著變化的曲率，有正、負和零高斯曲率，這些變化的曲率會(hui) 影響辣椒在生長過程中形態的變化，進而會(hui) 誘導產(chan) 生辣椒表麵複雜的褶皺。

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為(wei) 了研究褶皺的成因，研究者采用了有限元的方法，將辣椒整體(ti) 剝離為(wei) 表層的殼單元與(yu) 內(nei) 部的軟芯單元。

由於(yu) 在辣椒生長過程中會(hui) 發生脫水等行為(wei) ，因此會(hui) 導致辣椒表麵和內(nei) 部的力學性能不同，進而產(chan) 生結構的彎曲形變，發生表麵層和基底的應變失配。在辣椒的環麵結構中，曲率是不斷變化的，由此會(hui) 導致辣椒整體(ti) 的應力分布不均勻，進而導致辣椒對稱破壞。總結說來，就是辣椒內(nei) 外受力不同，在內(nei) 外結構的拉扯中，辣椒就漸漸改變了形狀。

我們(men) 到此就解決(jue) 了辣椒為(wei) 什麽(me) 會(hui) 隨著幹燥發生形變這個(ge) 問題，但是不同的辣椒，褶皺各不相同。要解決(jue) 這個(ge) 問題，還得接著分析辣椒的結構。

通過非線性環殼力學模型發現細長的結構物體(ti) 更容易在內(nei) 環形成褶皺，而小孔的環形結構中褶皺更容易在外環形成。同時，物體(ti) 的硬度也會(hui) 影響形貌。在較軟的環殼中，容易產(chan) 生酒窩狀的凹陷形貌。在較硬的環殼中，更容易產(chan) 生雙向條紋或螺旋狀的褶皺形貌。

這個(ge) 研究結果不僅(jin) 僅(jin) 解決(jue) 了辣椒褶皺的問題，研究者構建的理論模型也適用於(yu) 其他形狀略有不同的東(dong) 西上，可以幫助預測物體(ti) 在不同條件下形貌的變化，有助於(yu) 指導基於(yu) 褶皺形貌調控的產(chan) 品形狀設計工作的開展。

環形核殼結構形態演變模擬圖。圖片來源：參考文獻[1]

02

辣椒褶皺和辣度的關(guan) 係

影響辣椒辣度的重要因素是辣椒中辣椒素的含量。辣椒素含量越高，辣椒越辣。辣椒的褶皺則和辣椒中的木質素有關(guan) ，木質素越高的辣椒越硬挺，褶皺越少，反之則發皺。

這麽(me) 看來，辣椒素決(jue) 定辣度，木質素決(jue) 定褶皺，好像二者各司其職，互不影響？實際上，這兩(liang) 者的合成過程中，還存在著互相影響的關(guan) 係。

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辣椒素的合成過程中需要酚類物質。研究表明，辣椒中的過氧化物酶能將合成辣椒素的酚類物質氧化分解產(chan) 生木質素的合成。可見，辣椒辣度和硬度是此消彼長的關(guan) 係。過氧化物酶的活性越低，木質素的含量越低，辣椒褶皺越多，辣椒素的含量會(hui) 更多，吃起來會(hui) 更辣。原來，看起來飽經滄桑的辣椒，殺傷(shang) 力可一點沒有削減。

03

其他植物褶皺中蘊含的秘密

像辣椒因為(wei) 脫水等因素變得幹燥有褶皺的現象，在其他植物的身上也有體(ti) 現。多種多樣的植物具有不同的外形結構，變皺的過程也帶給研究者們(men) 不同的啟示。

1. 百香果

百香果在成熟過程中，皮會(hui) 逐漸變皺。研究者將百香果的起皺過程描述為(wei) 手性起皺模式。利用力學模型揭示了百香果起皺過程的普適的規律，表明了褶皺形成背後的結構-彈性機製。基於(yu) 此機製，研究者設計了可以抓取物件的機器人，推動了自適應抓取機器人的開發。

百香果，圖庫版權圖片，不授權轉載

2. 荷葉

荷葉在生長過程中出現的形貌演變激發了研究者的研究興(xing) 趣。研究者構建了可以解釋懸空葉片和漂浮葉片在不同方向微分生長的薄板模型，來準確的預測水生植物形貌的演化過程。

結果表明生長在水麵上的荷葉通常會(hui) 出現彎曲的錐形，且會(hui) 在荷葉的外周邊緣處長出長波的褶皺。而對於(yu) 漂浮的荷葉，外周邊緣則會(hui) 有短波的褶皺。研究結果可為(wei) 仿生結構形貌的調控提供新的思路。

荷葉，圖庫版權圖片，不授權轉載

可見，不少的生物的發展規律都可以用科學來解釋，並會(hui) 為(wei) 新事物的發展提供新奇的思路。你還發現哪些有趣的自然現象呢？

最後，下圖是來自上海辰山植物園的一些辣椒，歡迎大家留言猜猜看，標號的六種辣椒中哪個(ge) 最辣？

圖片拍攝：徐來

參考文獻：

[1] Wang, T., Dai, Z., Potier-Ferry, M. & Xu, F. Phys. Rev. Lett. 130, 048201 (2023).

[2] A chilli’s wrinkles and a cherry’s dimples explained. https://doi.org/10.1038/d41586-023-00132-y.

[3] Xu, F., Huang, Y., Zhao, S. et al. Chiral topographic instability in shrinking spheres. Nat Comput Sci 2, 632–640 (2022).

[4] 周燾. 辣椒品種資源評價(jia) 和影響辣椒素含量因素的初探[D].湖南農(nong) 業(ye) 大學,2005.

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