春風の中、また「出産」し、赤ちゃんを「産む」姿を見に来てください！

春が来ました。すべてが生き返る季節です...いいえ、柳の花穂が乱舞する季節です!

空中に舞う花穂は、視力に影響を与えるだけでなく、くしゃみを誘発したり、皮膚アレルギーを引き起こしたりすることもあります。

しかし、尾状花序に何が問題があるのでしょうか?人々はただ春のそよ風を利用して種を蒔きたいだけなのです。

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動物と比較すると、植物は自分の子供（種子）に対してより冷酷であるように思われ、常に彼らを遠くへ追いやります（結局のところ、彼らが彼らと一緒にいると、将来、日光、土地、水をめぐって彼らと競争しなければなりません）。

その結果、植物は種子を散布するためのさまざまな独特な方法を発達させてきました。

彼ら自身の力には限界があるため、彼らのほとんどは外部の力に頼ることを選択します。冒頭で述べた花穂のように、一部の植物は自然界では風を利用して種子を拡散する傾向があります。

今日は、東風をうまく利用した植物についての情報を皆さんにお伝えし、人類がこれらの植物から何を学んできたかを見ていきたいと思います。

01

タンポポの約束

タンポポは花穂に似ていますが、人々に嫌われているわけではないようです。むしろ、ロマンスに満ちています。

タンポポはそよ風の力を借りて、簡単に数百メートルも飛ぶことができます。

その理由は、体が軽いことにも関係していますが、より重要なのは、綿毛によって生み出される「浮力」です。

肉眼で観察すると、タンポポの種子には非常に微細な冠毛が何百個も付いているのがわかります。実際、それぞれの冠毛の構造は非常に複雑です。顕微鏡で見ると、冠毛の先端は二股に分かれて、肉眼では見にくい多くの鋭いトゲを形成しています。

この独特な綿毛により、タンポポは独特の飛び方をします。冠毛自体の動きによって発生する空気の流れが、種子が降下する際に種子の周りの空気の流れと相互作用するからです。

タンポポの「頭」には一対の小さな渦（渦輪）が形成され、その下にあるタンポポの種子に追加の空気抵抗を与え、種子が空中に長く留まることができるようになります。

タンポポの種と、その周りの流れによって作られた渦輪。出典：参考文献[1]

実験データによれば、同じ質量と風にさらされる面積を持つ人間のパラシュートと比較すると、タンポポは約 4 倍長く空中に留まることが示されています。

科学者たちはこの奇妙な現象に非常に興味を持っており、新しい航空機の開発や現在の飛行機などの燃料消費の節約を目的として、タンポポに関するバイオニクス研究を行っています。

同時に、タンポポはパラシュートの設計の参考にもなります。科学者たちは、より多くの人々を救助するために新しいタイプのパラシュートを発明したいと考えている。

02

メープルシードのワルツ

「空挺部隊」タンポポとは異なり、一部の植物の種子は飛ぶことに熱心です。彼らは直接翼を生やしてその場で飛び立ちたいとも考えています。

自然は数え切れないほどの魔法の植物を生み出してきましたが、その中にはプロペラ型の種子（下図の①②③④）や羽ばたく・円盤型の種子（下図の⑤⑥⑦）に進化したものもあります。

その中でも、カエデの種子は最も特徴的です。

さまざまな形の「飛来種子」。出典：参考文献[2]

カエデの種には「サマラス」という素敵な名前があります。名前の通り、ヘリコプターのプロペラのような羽根が付いています。

このうち、根は種子体を包み、その他の巨大な葉脈には生殖機能はありません。枝から落ちるとき、種子は落ちる過程で回転し、種子の「衣服」としての役割を果たします。

もちろん、風の恵みがなければ自由に飛ぶことはできません。

人間の視点から見ると、種子にこの奇妙な「衣服」を着せるのは、費用対効果の高い方法ではないようです。結局のところ、彼らが役割を果たせる可能性は非常に限られており、サマラは落下中に長距離を飛ぶことはできません。

実際、サマラは、特に完全に成熟して乾燥すると、非常に軽くなります。風に吹かれると、その巨大な「衣服」は下にある種子の体を簡単に動かし、何度も地面に近い飛行を完了することができます。

カエデの種子とその回転が上から落ちてきます。画像出典：参考文献[3]

もちろん、カエデサマラスのユニークな外見と飛行姿勢も科学者に多くのインスピレーションをもたらしました。

たとえば、回転するサマラは、竹製ヘリコプター、扇風機、風力タービンなどの回転機械のブレードと多くの類似点があります。

Samara は、より優れた空力性能を備えた製品を設計する上で役立つ参考アイデアを提供してくれるかもしれません。

2021年、韓国、イギリス、中国、アメリカなどの科学者チームが超小型航空機を提案した。

彼らは、さまざまな飛行種子を研究し、バイオニクスの原理を応用して、小型の飛行体を発明しました。

さまざまなセンサーが搭載されており、落下中に安定してゆっくりと回転することができます。

科学者によって発明された 3D マイクロ航空機。画像出典：参考文献[2]

03

タンブルウィードの放浪

実際、ほとんどの植物の種子はツバメほど軽くなく、風だけに頼って長距離を移動することはできません。

タンブルウィードの種子が成熟した後、その「子供たち」を最後の旅に送り出すために、緑色でふわふわした植物は徐々に黄色に変わり、丸まってボール状になり、その後根が折れます。

風に吹かれて、タンブルウィードは風とともに転がり、だんだん丸くなっていきました。この困難な旅の間に、彼らが運んだ何万もの種子も道中のあらゆる場所に散らばってしまいました。

タンブルウィードは「砂漠の浮浪者」としても知られ、カウボーイや馬車とともにアメリカ西部文化の象徴です。

しかし、南極に行く機会があれば、大きな雪玉を見ることができるかもしれませんが、風が吹くと、転がる「白いタンブルウィード」のように見えます。

大騒ぎしないでください。これは単なる「タンブルウィード ローバー」です。

これは、タンブルウィードをベースにした試験機器を運ぶために科学者が開発した「気球」です。

NASA の科学者がタンブルウィード探査車 (雪玉ではありません!) を押しています。出典: NASA

タンブルウィード・ローバーはNASAのジェット推進研究所によって設計・製造されました。

極地の氷や雪と比較すると、タンブルウィード・ローバーの内部は、稼働中のさまざまな電子機器の存在と閉鎖された環境により、約 26.7°C に保たれており、これは熱風で満たされた気球と同等の温度です。

タンブルウィードローバーは優れた機動性を備えています。極端で遠隔地の環境でも、タンブルウィード ローバーは起伏の多い地形を簡単に「移動」し、データ収集を迅速に完了できます。

タンブルウィードローバーの内部は非常に複雑で、すべての機器は両端が接続されたチューブ内に固定されており、ローリングプロセス中に機器が損傷したり脱落したりするのを防ぎます。

移動中、探査車に搭載された全地球衛星測位システムは、探査車の位置、周囲の気温、気圧、湿度などの情報を地上の研究ステーションにリアルタイムで送信することができます。

NASAは近年、タンブルウィード探査車のエアバッグ構造をフル活用し、パラシュートとして利用する次世代探査車の開発を計画している。

すべてがうまくいけば、この新しい探査車はいつの日か宇宙船に搭載され、火星の表面を動き回ることになるかもしれない。

タンブルウィードローバーの建造。出典: NASA 著者による翻訳

04

外来種：侵略にはまだ共犯者が必要

あらゆるものが芽吹く春には、花々が美しさと華やかさを競い合います。表面的には、花粉を撒くために一生懸命働いているのは働き者のミツバチたちです。実際、花粉を拡散させる主な力は風です。

風の力を借りて、花粉は「何千マイルも移動する」能力を獲得し、植物の繁殖を促進する上で重要な役割を果たしてきました。

しかし一方で、侵略的外来種にとって、風は間違いなく共犯者であり、被害の範囲を拡大し、より恐ろしい結果を引き起こします。

近年、我が国は外来種の侵入に悩まされています。

例えば、昔に蔓延していたブタクサは、肥料を吸収して再生する力が強いです。何度切っても再生可能です。この植物は背が高く、強く、群生して生育するため、根絶するのが難しい場合が多いです。

ブタクサは小麦、トウモロコシ、大豆などのさまざまな作物の畑に侵入し、土壌から養分を吸収しながら大量の水を消費し、土壌を乾燥させて不毛にし、作物の生育に深刻な影響を及ぼします。

さらに、ブタクサ花粉は最も重要な種類の花粉アレルゲンです。

花粉が空気中に漂うと、アレルギーのある人はブタクサ花粉と接触すると、喘息、くしゃみ、鼻水などの症状が現れ、さらには死に至る合併症も起こります。

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これらの現象に対応して、科学者たちは研究を始めました。

実際、花粉の拡散にはルールがないわけではありません。科学者たちは実験を通じて花粉の拡散に対応する数学モデルを開発した。

科学者は数学的計算を通じて、花粉全体（花粉粒一つ一つではない）の伝播経路と範囲を正確に予測し、花粉の移動パターンを調査し、それに基づいて花粉の拡散を効果的に制御するための特定の技術的対策を講じることができます。

もちろん、ほこりや汚染粒子PM2.5などの小さな粒子の伝染方法は花粉と同様です。

科学者たちはこれらの小さな粒子に多大な努力を注ぎ、その移動パターンを予測して人々がその危険にうまく対処できるようにするための多くの公式を開発しました。

結論

意外なことに、科学者たちは、一見目立たないこれらの植物を通じて、非常に多くの素晴らしい「ブラックテクノロジー」を考案することができました。

進歩への道においては、私たちの深い師である自然なしには決してやっていけないようです。

参考文献:

[1] Cummins, C.、Seale, M.、Macente, A.、Certini, D.、Mastropaolo, E.、Viola, IM、および中山 N. (2018)。タンポポの飛行の根底には、分離した渦輪があります。ネイチャー、562、414-418。 https://doi.org/10.1038/s41586-018-0604-2。

[2] キム・BH、リー・K.、キム・JT。等風で散布される種子からヒントを得た 3 次元の電子マイクロフライヤー。ネイチャー597、503–510（2021）。 https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y

[3] Dong Lin、Wen Guoan、Lei Ziwei 他。種子葉の回転落下過程における渦システムのPIV実験的研究[J]。実験流体力学、2021年、35(5):54-60。

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

制作：中国科学普及協会

著者: チェン・ミンチェン

プロデューサー: 中国科学博覧会

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