春天来啦，又到了万物复苏……不，柳絮狂飞的季节！
那些空中飞舞的柳絮不仅影响视线，还会使人忍不住打喷嚏，甚至产生皮肤过敏。
【资料图】
但柳絮有什么错呢？人家只是想借个春风播种子罢了。
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相比于动物，植物对于自己的孩子（种子）似乎比较绝情，总要将其送向远方（毕竟留在自己身旁，它们将来还要与自己争夺阳光、土地和水）。
因此，植物演化出了各种独特的种子传播方式。
由于自身的力量实在有限，它们大多选择借助外来的力量，一些植物就倾向于利用大自然的风传播种子，就像刚刚我们开头提到的柳絮一样。
今天笔者就与大家一起，了解一下那些“善借东风”的植物，再看看人类从这些植物身上学到了什么。
01
蒲公英的约定
虽然和柳絮长相相似，但蒲公英似乎并不遭人厌恶，反而承载了许多浪漫的气息。
借助一阵微风，蒲公英可以轻松地飞出几百米远。
这其中的原因虽然与其轻盈的身躯有关，但更重要的是那些绒毛产生的“浮力”。
通过肉眼观察，蒲公英种子上有几百根极其细密的冠毛，实际上每根冠毛的结构也极其复杂，在显微镜下，冠毛尖端又分叉形成许多肉眼难以看见的尖刺。
这种独特的绒毛使蒲公英掌握了一种独家的飞行秘籍，在下降的过程中，冠毛本身运动产生的气流和在种子周围的气流之间相互作用。
在它的“头顶”形成了一对小漩涡（涡环），给下方的蒲公英种子提供额外的空气阻力，从而使它在空中停留更长的时间。
蒲公英的种子和其周围流动产生的涡环。来源：参考文献[1]
实验测试数据显示，与同等质量和受风面积的人类降落伞相比，蒲公英在空中滞留的时间是降落伞的 4 倍左右。
科学家对这种奇怪的现象非常感兴趣，正在对蒲公英进行仿生学研究，试图研发新的飞行器，节省当前飞机等航空器的燃料消耗。
同时，蒲公英也可以为降落伞的设计提供借鉴，科学家们期望能发明出新型的降落伞，营救更多的人。
02
枫树种子的华尔兹
与“伞兵”蒲公英不同，一些植物的种子更渴望飞翔，它们甚至想直接插上翅膀，原地起飞。
大自然孕育出了无数神奇的植物，它们中有的进化出了类似于螺旋桨形状的种子（如下图中的 ①②③④）或者扑翼 / 盘状的种子（如下图中的 ⑤⑥⑦）。
而这其中，枫树的种子最具特色。
各种形态的“会飞的种子”。来源：参考文献[2]
枫树的种子拥有一个好听的名字——翅果，顾名思义，它们有着像直升机螺旋桨一样的叶片。
其中，根部包裹的是种子本体，其余硕大的叶脉没有繁殖作用，当其从枝头掉落后会在下降的过程发生旋转，是种子的“衣服”。
当然，没有了风的加持，它并不能自由飞翔。
在人类看来，为种子穿上这身奇怪的“衣服”似乎并不是划算的买卖，毕竟能发挥作用的机会非常有限，而且，翅果在下落的过程并不能远距离飞行。
实际上，翅果的重量很轻，尤其是在完全成熟干枯之后，在风的吹拂下，它硕大的“衣服”很容易带着底部的种子本体移动，完成一次又一次的贴地飞行。
枫树种子及自旋下落俯视状态。图片来源：参考文献[3]
当然，枫树翅果这种独特的外观和飞行姿态也给科学家带来了许多灵感。
比如，旋转的翅果与竹蜻蜓、电风扇、风力发电机等这些旋转机械的叶片有许多相似之处。
翅果也许可以给我们提供一些借鉴思路，帮助我们设计出气动性能更好的产品。
2021 年，韩国、英国、中国及美国等多国科学家组成的团队提出了一种微飞行器。
他们通过对各种飞行的种子进行研究，并运用仿生学原理，发明了一种极小的飞行器。
上面搭载有多种传感器，其在下落过程中可以稳定缓慢地旋转。
科学家发明的3D微飞行器。图片来源：参考文献[2]
03
风滚草的流浪
其实，大多数植物的种子并非“身轻如燕”，并不能仅靠风实现远航。
为了送自己的“孩子”最后一程，风滚草在种子成熟之后，绿油蓬松的植株逐渐枯黄，蜷缩成一个球状，随后根部断裂。
在风的吹拂下，风滚草随风滚动，逐渐被“盘”得更加圆润，而在这趟颠沛流离的路途中，它身上所携带的数万颗种子也被播撒在了沿途的各个角落。
风滚草也被人们称为“沙漠流浪汉”，与牛仔、马车一同作为美国西部文化的象征。
不过，如果你有机会去南极，可能会看到一团大雪球，但当风吹过时，它又像一团滚动的“白色的风滚草”。
不用大惊小怪，它只是一辆“风滚草漫游车”。
这是科学家们仿照风滚草研制的携带测试仪器的“气球”。
NASA科学家正在推一辆风滚草漫游车（不是雪球！）。来源：NASA
风滚草漫游车由美国宇航局（NASA）喷气推进实验室设计并建造。
与极地的冰天雪地相比，由于存在各种运行的电子设备且拥有封闭的环境，风滚草漫游车的内部保持在26.7℃左右，相当于一个充满暖气的气球。
风滚草漫游车具备出色的运动能力，即使在极端和偏远的环境中，风滚草漫游车也可以轻易地“滚”过崎岖不平的地面，快速完成数据的采集工作；
风滚草漫游车内部大有乾坤，各种仪器都固定在内部一根两端连接的管子中，避免在滚动过程中仪器发生损伤脱落；
在运动过程中，漫游车搭载的全球卫星定位系统可以实时向地面考察站发送其位置、周围的空气温度，压力，湿度等信息。
近些年，NASA已经在布局研发下一代的漫游车，它将在风滚草漫游车的基础上充分利用自身的气囊结构，将其用作降落伞。
如果进展一切顺利，某一天这种新的漫游车可能也会登上飞船，在火星的表面“滚来滚去”。
风滚草漫游车的构造。来源：NASA 作者翻译
04
外来物种：入侵还需找帮凶
在万物萌发的春天，百花争奇斗艳，表面上是辛勤的蜜蜂在努力传播花粉，实际上，风才是花粉传播的主力。
在风的加持下，花粉获得了“行万里路”的能力，对植物的繁殖起到了显著的促进作用。
但另一方面，对于外来入侵物种，风无疑就是助纣为虐的帮凶，它把危害范围扩大，酿成更可怕的后果。
近些年，我国饱受外来物种入侵的困扰。
例如早年间泛滥的豚草，它的吸肥能力和再生能力极强，被割除多次仍能再生，并且植株高大粗壮，成群生长，往往难以根除。
豚草侵入小麦、玉米、大豆等各种农作物田，消耗大量水分，同时吸收土地中的营养物质，造成土壤干旱贫瘠，严重影响作物生长。
此外，豚草花粉是花粉类过敏原中最重要的一种。
每到花粉飘散时，过敏体质的人在接触豚草花粉后便会发生哮喘、打喷嚏、流鼻涕等症状，甚至会引发其他并发症进而导致死亡。
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针对这些现象，科学家们又展开了他们的研究。
实际上，花粉的传播并非没有规律，科学家们通过实验研究出了花粉传播对应的数学模型。
通过数学计算，科学家可以对整片花粉（不是每一粒花粉）的传播路径、范围进行精准预测，探索花粉的运动规律，在此基础上采取一定的技术手段可以有效地控制花粉的传播。
当然，粉尘、污染物颗粒PM2.5等小颗粒，它们的传播方式和花粉有许多相似之处。
科学家们在这些小颗粒身上下足功夫，研究出了许多能够预测它们运动规律的公式，帮助人们更好地面对它们的危害。
结语
没想到，通过这些看似不起眼的植物，科学家们居然能够琢磨出这么多天马行空的“黑科技”。
看来，在进步的道路上，我们永远离不开大自然这位渊博的导师。
参考文献：
[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，温国安，雷紫薇，等. 种子叶片自旋下落过程涡系的 PIV 实验研究 [J]. 实验流体力学，2021，35（5）：54-60.
[4] https://www.nasa.gov/missions/earth/f_tumbleweed.html
出品：科普中国
作者：城明辰
监制：中国科普博览
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