出品：科普中国

作者：石雾遥

监制：中国科普博览

随着时间流逝，物体表面会自然变化产生褶皱，且随着时间的延续，褶皱的程度会逐渐加深。随着年龄的增长，皮肤会出现皱纹，这是自然界的规律。相信你一定注意到过，过年家里囤的菜渐渐脱水，像辣椒这种，原本光滑的表皮也变得皱皱巴巴。

其实与人一样，植物因为各种各样的原因，也会产生褶皱。辣椒表面的褶皱便吸引了科学家们探索其中的奥秘。

皮肤褶皱

（图片来源：Veer图库）

辣椒

（图片来源：Veer图库）

辣椒表面褶皱的形成原因

辣椒因为干燥产生褶皱是日常生活中常见的现象，但是如果要细细分析为什么会产生这样复杂的褶皱，并不是一件简单的事情。

近期，我国科学家利用数学物理等相关的知识，进行了环形核壳结构物质表面复杂形貌的演化实验与一系列的理论计算来解释辣椒表面褶皱的成因。

环形核壳结构辣椒

（图片来源：参考文献1）

随着不断的生长，很多辣椒长成了弯曲的环形结构，再加上辣椒内部空心，研究者将辣椒归类为环形核壳结构物质。

研究者表示辣椒表面的褶皱受到很多内在和外在因素的共同影响。而几何结构是影响辣椒表面褶皱的重要物理因素。

在几何结构中，环形核壳结构物质的曲率是最典型的特征。环形结构包含着变化的曲率，有正、负和零高斯曲率，这些变化的曲率会影响辣椒在生长过程中形态的变化，进而会诱导产生辣椒表面复杂的褶皱。

为了研究褶皱的成因，研究者采用了有限元的方法，将辣椒整体剥离为表层的壳单元与内部的软芯单元。

由于在辣椒生长过程中会发生脱水等行为，因此会导致辣椒表面和内部的力学性能不同，进而产生结构的弯曲形变，发生表面层和基底的应变失配。在辣椒的环面结构中，曲率是不断变化的，由此会导致辣椒整体的应力分布不均匀，进而导致辣椒对称破坏。总结说来，就是辣椒内外受力不同，在内外结构的拉扯中，辣椒就渐渐改变了形状。

我们到此就解决了辣椒为什么会随着干燥发生形变这个问题，但是不同的辣椒，褶皱各不相同。要解决这个问题，还得接着分析辣椒的结构。

通过非线性环壳力学模型发现细长的结构物体更容易在内环形成褶皱，而小孔的环形结构中褶皱更容易在外环形成。同时，物体的硬度也会影响形貌。在较软的环壳中，容易产生酒窝状的凹陷形貌。在较硬的环壳中，更容易产生双向条纹或螺旋状的褶皱形貌。

这个研究结果不仅仅解决了辣椒褶皱的问题，研究者构建的理论模型也适用于其他形状略有不同的东西上，可以帮助预测物体在不同条件下形貌的变化，有助于指导基于褶皱形貌调控的产品形状设计工作的开展。

环形核壳结构形态演变模拟图

（图片来源：参考文献1）

辣椒褶皱和辣度的关系

影响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。辣椒的褶皱则和辣椒中的木质素有关，木质素越高的辣椒越硬挺，褶皱越少，反之则发皱。

这么看来，辣椒素决定辣度，木质素决定褶皱，好像二者各司其职，互不影响？实际上，这两者的合成过程中，还存在着互相影响的关系。

辣椒素的合成过程中需要酚类物质。研究表明，辣椒中的过氧化物酶能将合成辣椒素的酚类物质氧化分解产生木质素的合成。可见，辣椒辣度和硬度是此消彼长的关系。过氧化物酶的活性越低，木质素的含量越低，辣椒褶皱越多，辣椒素的含量会更多，吃起来会更辣。原来，看起来饱经沧桑的辣椒，杀伤力可一点没有削减。

吃辣椒

（图片来源：Veer图库）

其他植物褶皱中蕴含的秘密

像辣椒因为脱水等因素变得干燥有褶皱的现象，在其他植物的身上也有体现。多种多样的植物具有不同的外形结构，变皱的过程也带给研究者们不同的启示。

百香果

百香果在成熟过程中，皮会逐渐变皱。研究者将百香果的起皱过程描述为手性起皱模式。利用力学模型揭示了百香果起皱过程的普适的规律，表明了褶皱形成背后的结构-弹性机制。基于此机制，研究者设计了可以抓取物件的机器人，推动了自适应抓取机器人的开发。

百香果

（图片来源：Veer图库）

荷叶

荷叶在生长过程中出现的形貌演变激发了研究者的研究兴趣。研究者构建了可以解释悬空叶片和漂浮叶片在不同方向微分生长的薄板模型，来准确的预测水生植物形貌的演化过程。

结果表明生长在水面上的荷叶通常会出现弯曲的锥形，且会在荷叶的外周边缘处长出长波的褶皱。而对于漂浮的荷叶，外周边缘则会有短波的褶皱。研究结果可为仿生结构形貌的调控提供新的思路。

荷叶

（图片来源：Veer图库）

可见，不少的生物的发展规律都可以用科学来解释，并会为新事物的发展提供新奇的思路。你还发现哪些有趣的自然现象呢？

编辑：郭雅欣

参考文献：

[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] 周焘. 辣椒品种资源评价和影响辣椒素含量因素的初探[D].湖南农业大学,2005.

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

[6] Xu, F., Fu, C., Yang Y. et al. Water affects morphogenesis of growing aquatic plantleaves. Phys. Rev. Lett. 124, 038003 (2020).

来源: 中国科普博览

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