1 生存竞争是“高科技战争”
不同的人的眼中有不同的春景.在散文家朱自清的笔下，春是那样热情奔放和充满诗情画意：
“山润朗起来了，水涨起来了，太阳的脸红起来了.”
“小草偷偷地从土地里钻出来，嫩嫩的、绿绿的. 园子里，田野里，瞧去，一大片一大片满是的.”
“桃树、杏树、梨树，你不让我，我不让你，都开满了花赶趟儿.”
透过春的绚丽浪漫面纱，生物学家看到了激烈的生存竞争：不错的，“水涨起来了，太阳的脸红起来了”，可是水和土地养分资源是有限的，阳光按土地面积分配.“一大片一大片满是的”，热闹中也凸显了地球村的狭小.“你不让我，我不让你”则是传神地描述了生存竞争.如是，物竞天择，在亿万年的进化过程中，植物积累了精妙的知识，练就了各自的独门绝技.可以说，植物的生存竞争是在知识层次上远高于人类当今认识水平的高科技战争.
图1是森林的小小一角：乔木和藤蔓在合演精彩的生存竞争“二人秀”.乔木高大硕壮，直插云天，是“硬实力”派，藤蔓纤细柔韧，攀援而上，在秀“巧实力”派的机敏.结果战成平手，共享阳光雨露.别以为“巧实力”派只是柔弱地依附，像热带雨林的榕树(也是乔木)是一类植物杀手，缠上“猎物”后，在地上施展蛇一样的绞杀绝技，向地下伸进气根掠夺养分，绞杀、饿死被缠绕的树木，独霸资源.
图1 乔木与藤蔓植物秀“硬实力”与“巧实力”
本文不可能涉猎植物的整座伟大知识宝库，仅打算到熟悉的藤蔓植物黄瓜藤的展台，从力学家的视角，看一看黄瓜卷须是如何魔幻般运用力学知识，帮助黄瓜藤以非植物的方式运动，牢固系住支撑物攀援的.
近两个世纪以来，神奇的卷须迷住了包括达尔文在内的许多杰出科学家.
2 卷须的自盘卷拉拽
即使对于人类，攀援也是勇敢者的运动.看图2(a)的攀岩运动，多么惊险刺激.人类有眼能看到攀绳，有脚能走近，有手能攀爬.可黄瓜藤怎么攀援？Darwin发现，黄瓜藤凭借的是奇妙的卷须(见图2(b)的小框)，他有过一段精彩的描述：“黄瓜藤卷须碰到了某个物体后，迅速卷曲······收缩成螺旋形，把植株拉高，形成一个美妙的弹簧.”
（a） （b）
图2 (a) 人类手拉绳攀岩 (b) 黄瓜凭借卷须攀援竹杆图
让我们再靠近一点. 见图3，幼年的黄瓜藤伸出长长的卷须，在微风中摇曳，舞姿曼妙，它在搜寻支撑物.
图3 长长的黄瓜卷须在搜寻支撑物
达尔文发现，卷须一旦接触到支撑物，很快盘绕拴紧，然后卷须就如一根魔绳，开始自盘卷，长度缩短，将整个植株拉拽靠近支撑物. 图4是达尔文绘制的卷须自盘卷拉拽示意图.
图4 达尔文绘制的卷须自盘卷拉拽示意图
3 卷须的奇妙力学行为
黄瓜卷须盘卷形成的螺旋弹簧具有奇妙的力学行为.将图2(b)中小框的卷须部分放大于图5中，可以看到，卷须螺旋与普通的螺旋弹簧不同，有“换向节”，作用是转换螺旋的旋性，即由左手螺旋变换为右手螺旋，或者反过来由右手螺旋变换为左手螺旋.图5卷须螺旋的左段是左手螺旋，通过位于中间的换向节，右段成为了右手螺旋.换向节是黄瓜卷须的一个伟大发明，利用它，卷须实现了两端固定约束下的盘卷，因为左旋和右旋互相抵消，卷须整体上是无捻的.
图5 黄瓜卷须螺旋的转换节(中部位置)
达尔文早就发现了卷须奇妙的换向节，见图4，达尔文画出了两个换向节.在一根黄瓜卷须中可以有多个换向节.我们能够很容易做一个换向节：取一段螺旋电话线，先拉直松卷，两端握紧限制扭转，然后靠近，就做成了一个换向节，见图6.
图6 用电话线做的换向节
黄瓜卷须还有一个令人意想不到的神奇的力学行为.如果将图6电话线拉伸，它的换向节会朝松开的方向旋转，两侧绕圈数不断减少，直至变到直线状态.嫩的黄瓜卷须也是这样.令人惊奇的是，老的黄瓜卷须受拉时，不仅不松卷，还会继续增加绕圈.见图7，老黄瓜卷须未受力时，换向节两侧各盘了5圈，在受到拉力后，换向节朝绕紧的方向旋转，两侧绕圈数都变成了6圈.再研究刚度的变化，普通弹簧在拉伸过程中刚度不变，而实验表明，有换向节的老卷须的刚度则随变形而增加.同时老卷须的强度也比嫩卷须的高很多.
(a) 未受力时换向节两侧各绕了5 圈 (b) 施加拉力后换向节两侧都变成6 圈
图7 老黄瓜卷须受拉时绕圈数增加
黄瓜卷须弹簧实现了根据它的功能的全程优化设计.幼年黄瓜藤的茎和叶重量不大，相对柔弱的卷须能够承受植株的重量.随着黄瓜藤的生长，特别是挂满黄瓜的时候，植株的重量大大增加，卷须也随之变硬，强度增加了.
当然最神奇的是黄瓜卷须的换向节，不仅解决了两端固定条件下的盘卷问题，而且受拉时绕圈数增加，刚度也增加.这样在微风中，黄瓜藤可以自由轻舞.而一旦遇到骤然的风暴或其他冲击，卷须变形刚度加大，限制运动幅度，如同人类的安全带，保护植株不受伤害. 安全带是人类了不起的发明，它拯救了无数人的生命.可是比起卷须弹簧还有逊色之处，因为卷须弹簧刚度是逐渐增加的，而安全带则是一下锁死(如同刚度突变为无限大).台湾曾有报道，一位乘客在车祸时因安全带锁住脖子，被安全带勒死了.如果安全带能像黄瓜卷须一样有个刚度连续提高的过程，或许惨剧可以避免.
相信读者会想知道，黄瓜卷须是怎样获得这样神奇的力学本领的.我们将在第II部分探源，介绍黄瓜卷须的显微组织及其力学模型，并介绍北京航空航天大学材料力学实验室根据黄瓜卷须开设的一个选修实验.
（转载自《力学与实践》，撰文蒋持平等）
