來看它們春風吹又“生”，“生”孩子的“生”！_風聞

春天來啦，又到了萬物復甦……不，柳絮狂飛的季節！

那些空中飛舞的柳絮不僅影響視線，還會使人忍不住打噴嚏，甚至產生皮膚過敏。

但柳絮有什麼錯呢？人家只是想借個春風播種子罷了。

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相比於動物，植物對於自己的孩子（種子）似乎比較絕情，總要將其送向遠方（畢竟留在自己身旁，它們將來還要與自己爭奪陽光、土地和水）。

因此，植物演化出了各種獨特的種子傳播方式。

由於自身的力量實在有限，它們大多選擇藉助外來的力量，一些植物就傾向於利用大自然的風傳播種子，就像剛剛我們開頭提到的柳絮一樣。

今天筆者就與大家一起，瞭解一下那些“善借東風”的植物，再看看人類從這些植物身上學到了什麼。

01

蒲公英的約定

雖然和柳絮長相相似，但蒲公英似乎並不遭人厭惡，反而承載了許多浪漫的氣息。

藉助一陣微風，蒲公英可以輕鬆地飛出幾百米遠。

這其中的原因雖然與其輕盈的身軀有關，但更重要的是那些絨毛產生的“浮力”。

通過肉眼觀察，蒲公英種子上有幾百根極其細密的冠毛，實際上每根冠毛的結構也極其複雜，在顯微鏡下，冠毛尖端又分叉形成許多肉眼難以看見的尖刺。

這種獨特的絨毛使蒲公英掌握了一種獨家的飛行秘籍，在下降的過程中，冠毛本身運動產生的氣流和在種子周圍的氣流之間相互作用。

在它的“頭頂”形成了一對小漩渦（渦環），給下方的蒲公英種子提供額外的空氣阻力，從而使它在空中停留更長的時間。

蒲公英的種子和其周圍流動產生的渦環。來源：參考文獻[1]

實驗測試數據顯示，與同等質量和受風面積的人類降落傘相比，蒲公英在空中滯留的時間是降落傘的 4 倍左右。

科學家對這種奇怪的現象非常感興趣，正在對蒲公英進行仿生學研究，試圖研發新的飛行器，節省當前飛機等航空器的燃料消耗。

同時，蒲公英也可以為降落傘的設計提供借鑑，科學家們期望能發明出新型的降落傘，營救更多的人。

02

楓樹種子的華爾茲

與“傘兵”蒲公英不同，一些植物的種子更渴望飛翔，它們甚至想直接插上翅膀，原地起飛。

大自然孕育出了無數神奇的植物，它們中有的進化出了類似於螺旋槳形狀的種子（如下圖中的 ①②③④）或者撲翼 / 盤狀的種子（如下圖中的 ⑤⑥⑦）。

而這其中，楓樹的種子最具特色。

各種形態的“會飛的種子”。來源：參考文獻[2]

楓樹的種子擁有一個好聽的名字——翅果，顧名思義，它們有着像直升機螺旋槳一樣的葉片。

其中，根部包裹的是種子本體，其餘碩大的葉脈沒有繁殖作用，當其從枝頭掉落後會在下降的過程發生旋轉，是種子的“衣服”。

當然，沒有了風的加持，它並不能自由飛翔。

在人類看來，為種子穿上這身奇怪的“衣服”似乎並不是划算的買賣，畢竟能發揮作用的機會非常有限，而且，翅果在下落的過程並不能遠距離飛行。

實際上，翅果的重量很輕，尤其是在完全成熟乾枯之後，在風的吹拂下，它碩大的“衣服”很容易帶着底部的種子本體移動，完成一次又一次的貼地飛行。

楓樹種子及自旋下落俯視狀態。圖片來源：參考文獻[3]

當然，楓樹翅果這種獨特的外觀和飛行姿態也給科學家帶來了許多靈感。

比如，旋轉的翅果與竹蜻蜓、電風扇、風力發電機等這些旋轉機械的葉片有許多相似之處。

翅果也許可以給我們提供一些借鑑思路，幫助我們設計出氣動性能更好的產品。

2021 年，韓國、英國、中國及美國等多國科學家組成的團隊提出了一種微飛行器。

他們通過對各種飛行的種子進行研究，並運用仿生學原理，發明了一種極小的飛行器。

上面搭載有多種傳感器，其在下落過程中可以穩定緩慢地旋轉。

科學家發明的3D微飛行器。圖片來源：參考文獻[2]

03

風滾草的流浪

其實，大多數植物的種子並非“身輕如燕”，並不能僅靠風實現遠航。

為了送自己的“孩子”最後一程，風滾草在種子成熟之後，綠油蓬鬆的植株逐漸枯黃，蜷縮成一個球狀，隨後根部斷裂。

在風的吹拂下，風滾草隨風滾動，逐漸被“盤”得更加圓潤，而在這趟顛沛流離的路途中，它身上所攜帶的數萬顆種子也被播撒在了沿途的各個角落。

風滾草也被人們稱為“沙漠流浪漢”，與牛仔、馬車一同作為美國西部文化的象徵。

不過，如果你有機會去南極，可能會看到一團大雪球，但當風吹過時，它又像一團滾動的“白色的風滾草”。

不用大驚小怪，它只是一輛“風滾草漫遊車”。

這是科學家們仿照風滾草研製的攜帶測試儀器的“氣球”。

NASA科學家正在推一輛風滾草漫遊車（不是雪球！）。來源：NASA

風滾草漫遊車由美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室設計並建造。

與極地的冰天雪地相比，由於存在各種運行的電子設備且擁有封閉的環境，風滾草漫遊車的內部保持在26.7℃左右，相當於一個充滿暖氣的氣球。

風滾草漫遊車具備出色的運動能力，即使在極端和偏遠的環境中，風滾草漫遊車也可以輕易地“滾”過崎嶇不平的地面，快速完成數據的採集工作；

風滾草漫遊車內部大有乾坤，各種儀器都固定在內部一根兩端連接的管子中，避免在滾動過程中儀器發生損傷脱落；

在運動過程中，漫遊車搭載的全球衞星定位系統可以實時向地面考察站發送其位置、周圍的空氣温度，壓力，濕度等信息。

近些年，NASA已經在佈局研發下一代的漫遊車，它將在風滾草漫遊車的基礎上充分利用自身的氣囊結構，將其用作降落傘。

如果進展一切順利，某一天這種新的漫遊車可能也會登上飛船，在火星的表面“滾來滾去”。

風滾草漫遊車的構造。來源：NASA  作者翻譯

04

外來物種：入侵還需找幫兇

在萬物萌發的春天，百花爭奇鬥豔，表面上是辛勤的蜜蜂在努力傳播花粉，實際上，風才是花粉傳播的主力。

在風的加持下，花粉獲得了“行萬里路”的能力，對植物的繁殖起到了顯著的促進作用。

但另一方面，對於外來入侵物種，風無疑就是助紂為虐的幫兇，它把危害範圍擴大，釀成更可怕的後果。

近些年，我國飽受外來物種入侵的困擾。

例如早年間氾濫的豚草，它的吸肥能力和再生能力極強，被割除多次仍能再生，並且植株高大粗壯，成羣生長，往往難以根除。

豚草侵入小麥、玉米、大豆等各種農作物田，消耗大量水分，同時吸收土地中的營養物質，造成土壤乾旱貧瘠，嚴重影響作物生長。

此外，豚草花粉是花粉類過敏原中最重要的一種。

每到花粉飄散時，過敏體質的人在接觸豚草花粉後便會發生哮喘、打噴嚏、流鼻涕等症狀，甚至會引發其他併發症進而導致死亡。

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針對這些現象，科學家們又展開了他們的研究。

實際上，花粉的傳播並非沒有規律，科學家們通過實驗研究出了花粉傳播對應的數學模型。

通過數學計算，科學家可以對整片花粉（不是每一粒花粉）的傳播路徑、範圍進行精準預測，探索花粉的運動規律，在此基礎上採取一定的技術手段可以有效地控制花粉的傳播。

當然，粉塵、污染物顆粒PM2.5等小顆粒，它們的傳播方式和花粉有許多相似之處。

科學家們在這些小顆粒身上下足功夫，研究出了許多能夠預測它們運動規律的公式，幫助人們更好地面對它們的危害。

結語

沒想到，通過這些看似不起眼的植物，科學家們居然能夠琢磨出這麼多天馬行空的“黑科技”。

看來，在進步的道路上，我們永遠離不開大自然這位淵博的導師。

參考文獻：

[1] Cummins, C., Seale, M., Macente, A., Certini, D., Mastropaolo, E., Viola, I. M., & Nakayama, N. (2018). A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion. Nature, 562, 414-418. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0604-2.

[2] Kim, B.H., Li, K., Kim, JT. et al. Three-dimensional electronic microfliers inspired by wind-dispersed seeds. Nature 597, 503–510 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y

[3] 董林，温國安，雷紫薇，等. 種子葉片自旋下落過程渦系的 PIV 實驗研究 [J]. 實驗流體力學，2021，35（5）：54-60.

[4] https://www.nasa.gov/missions/earth/f_tumbleweed.html

出品：科普中國

作者：城明辰

監製：中國科普博覽

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