為什麼葉片凹陷的地方不結霜？

在寒冷的早晨，有時會發現結霜了。一片銀白世界雖然很美，但是對農夫來說，卻會擔心農作物凍壞了。所以，氣象報告總是會預報結霜，讓農夫可以提前防範。

科學家如何看待結霜這件事呢？大部分的科學家可能不會有什麼特別的反應。但是，有位科學家注意到，植物的葉片，在葉脈凸起部分容易結霜,而凹陷部分較少結霜。

為什麼會這樣呢？他們製作了具有鋸齒狀紋理的鋁表面來模仿葉片結構。實驗發現霜始終從凸起的尖峰處開始形成,而凹谷處會形成一個無霜區域。

進一步的觀察發現，在冷凝階段時，水滴快速地在尖峰處生長，並從尖峰開始結霜，同時向谷部擴散（結霜階段）；然後，當溫度發生變動時，谷部水滴會先蒸發，於是就形成了無霜區。

從他們的反覆測試得到的結果，研究團隊建立了一個數學模型。在這個模型中，無霜區面積與表面幾何參數（頂角α）和環境濕度都有關。他們發現，頂角α越小（山峰越尖），無霜區就越大；另外環境濕度越低，無霜區也越大。而且，即使在超親水表面上，這種表面結構也能實現50%的無霜覆蓋率，並長時間保持穩定。 

所以，他們認為這個技術可以用來與其他防霜技術結合，或許可以應用於航空、風力發電等需要防霜的領域。

最近，又有研究團隊重新探討了一下這個現象。這次，他們不再使用人工的表面，而是用毛地黃（Digitalis purpurea）的葉片來做實驗，而且，他們還使用了一些細菌，看看細菌會不會影響結霜的發生。

為什麼要用毛地黃呢？因為毛地黃有與他們先前使用的人工表面相似的表面，另外，毛地黃有葉毛（trichomes），他們想觀察葉毛對結霜模式會不會有影響。當然，使用真實的葉片可以將研究結果與實際生態系統連結起來。

另外，他們使用了丁香假單胞菌（Pseudomonas syringae）與酵母菌（Saccharomyces cerevisiae）這兩種微生物。他們發現丁香假單胞菌能夠引發結冰，而酵母菌不能引發結冰。當他們把丁香假單胞菌添加到葉片的凹槽中時,它們能夠在約-4°C的溫度下引發結冰，而且結冰最先在這些微生物所在的凹槽位置開始；因此，這個位置最終形成了豐富的冰晶沉積。而有酵母菌的葉片凹槽，並沒有引發任何特殊的結冰現象且結霜模式與沒有添加任何微生物的情況相似。更有趣的是，在能引發結冰的微生物所在位置，冰晶在5-10分鐘內就開始形成。相比之下，凸起部分的結冰要到15-20分鐘後才開始。所以，有丁香假單胞菌所在的葉片凹槽，結冰的速度甚至比山峰更快！

這個實驗結果意味著能引發結冰的微生物確實可以改變局部的結霜模式，並為自己創造一個更有利的微環境。這一發現對於理解植物表面微生物的生存策略，以及植物與微生物之間的相互作用，都具有重要意義。

根據文獻資料，丁香假單胞菌可以在植物的壞死組織中過冬，還可以合成冰核活性（INA）蛋白，使植物體內的水在高於正常值的溫度（−3.8~−1.8℃）下結冰，造成組織損傷。或許就是因為這樣，所以可以引發結冰？無論如何，這一系列的研究從觀察葉片結霜出發，到發展出數學模型等等，真的是生活無處不科學呢！

參考文獻：

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