近日，复旦大学航空航天系教授徐凡课题组发现水（液体基底）对植物叶片生长形貌演化有显著影响。1月24日，相关研究成果以《水影响植物叶片生长形貌》（“Water affects morphogenesis of growing aquatic plant leaves”）为题作为封面文章（Cover）发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters, 124, 038003）。理论和实验研究表明在液体基底上生长的薄膜在能量上倾向于选择边缘褶皱的构型，而悬空的薄膜更容易形成整体屈曲的模态。此外，其它因素如叶茎/脉约束、生长非均匀性、几何构型和尺寸效应等对生长形貌也有着重要影响。
该文章同时还被《物理评论快报》选为编辑推荐（Editors’ Suggestion），被《自然》（Nature）杂志作为研究亮点（Research Highlights）报道，得到美国物理学会Physics网站、Physics Buzz专题评论报道。
北宋周敦颐的《爱莲说》曾讲到“予独爱莲之出淤泥而不染”，这种因荷叶表面超疏水微结构产生的现象曾引起科研人员的广泛关注。而荷叶生长的形貌演变也同样有趣（图1）：漂浮在水面上的荷叶边缘通常会出现短波褶皱，而生长在水面之上的荷叶则表现为整体弯曲的锥形且在边缘处出现长波褶皱。
漂浮在水面上的荷叶边缘通常会出现短波褶皱，
而生长在水面之上的荷叶则表现为整体弯曲的锥形且在边缘处出现长波褶皱。
是什么原因导致了伫立水上和漂浮在水面的同种荷叶的形貌差异如此之大？为回答这一问题，课题组建立了能够有效解释漂浮叶片和悬空叶片各向异性微分生长的薄板模型，可定量预测多种水生植物形貌的形成与演化（图2）。水基底上的荷叶（圆形）在生长过程中边缘出现短波褶皱，而悬空的荷叶则在边缘形成长波褶皱，其波数受中心主茎约束面积的大小影响。而漂浮的睡莲（扇形）叶子在生长中保持平坦，悬空的扇形叶子则在边缘出现长波褶皱。帝王莲的水基部分占整个叶面积的80%左右，呈边缘陡峭的碗形。
水基底对水生植物叶片形貌演变的影响。(a)漂浮的荷叶（实验中样品边缘用红色突出褶皱），(b)-(c)悬空的荷叶，
(d)漂浮的睡莲，(e)悬空的睡莲，(f)帝王莲。(a)、(d)和(f)中的蓝色背景代表水基底。
受自然启发，课题组通过吸水橡胶膨胀实验再现了自然界中多种几何构型（圆形、扇形和矩形）和生长方式（整体、局部和边缘膨胀）的水生植物的形貌。研究结果不仅对不同植物形貌的发生发展提供了科学解释，也提出了通过基底或边缘驱动表面失稳来实现仿生可展结构形貌控制的新思路。美国斯坦福大学教授Ellen Kuhl对该工作的评价道：“The findings by the Fudan team reflect a revival of interest in recent years in the role of mechanics—as opposed to genetics and biochemistry—in the shapes of biological structures”。
该研究由复旦大学航空航天系教授徐凡课题组独立完成，得到国家自然科学基金委、上海市科委和上海市教委等资助。
