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蒲公英能飞多远,要看够不够“潮”

小学篱笆旁的蒲公英

是记忆里有味道的风景

——周杰伦《蒲公英的约定》


正如周董的歌,无论是春夏时淡雅的小黄花,还是入秋后一吹满天飞的绒球,蒲公英是无数人童年美好的回忆。

蒲公英。图片来源于网络


当然,除了是小朋友的“纯天然”玩具,蒲公英也是不少人喜爱的野菜,还是被收入《本草纲目》的传统药草。这还没有完,蒲公英种子独特的降落伞状冠毛带来的飞行能力,一直是科学家与工程师们关注的重点,一方面希望进一步深入理解它们的飞行之谜,另外一方面则尝试从中汲取灵感以开发微型仿生飞行机器。2018年的一项发表于Nature 的研究表明,蒲公英通过调控冠毛间的孔隙率在上方精确形成空气涡流环是其种子可以随风而起的关键(Nature2018562, 414-418)。两个月前的另一篇Nature 文章,则提出了一种能够在风中分散的仿蒲公英微型无线传感器设备(Nature2022603, 427–433)。


说到底,蒲公英种子的飞行实际上是为了更好地传播。也就是说,带着降落伞状冠毛的种子不但要能随风而起,还要能在合适的环境中(比如适合的潮湿环境)落下生根发芽。这是怎么实现的呢?最近,英国爱丁堡大学和法国里昂大学的研究人员揭开了秘密,他们发现蒲公英为了实现在合适的潮湿环境降落,演化出了吸湿后可从内而外直接展开的致动器(hygroscopic actuator)。研究人员展示了吸湿致动器的结构和功能之间的关系,通过研究致动器细胞壁的结构和性质,确定了蒲公英冠毛闭合的机制。相关工作发表于Nature Communications

蒲公英种子。图片来源于网络


植物的运动和变形一般通过吸收和释放水分来实现。举个简单的例子,植物的双层结构通过吸收和释放水分一侧比另一侧膨胀(或收缩)更多,就能使整体结构弯曲或扭曲。经过千万年的进化,植物界的机械运动与材料使用已经优化到了相当高的水平,也给了科学家很多启发。而对蒲公英来说,长有毛茸茸伞状冠毛的种子通过开闭冠毛控制冠毛周围的空气流动,从而实现飞行以及降落。虽然纤细的冠毛纤维在接触水滴后会由表面张力等而产生轻微的被动弯曲闭合,但冠毛的开闭主要由根部的吸湿致动器来驱动,这个致动器可以在与水接触时产生不均匀膨胀,从而通过类似杠杆的机制使伞状冠毛聚拢。这比上文所说的双层异质结构导致的弯曲机制要复杂得多。

蒲公英种子冠毛的开合。图片来源:Nat. Commun.


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为了研究蒲公英冠毛致动器的吸湿开闭机制,研究人员搭建了一个水合室,通过控制添加到腔室中的水量来控制蒲公英冠毛的开闭程度,发现开合的角度变化范围可达40-100°。而冠毛开合的关键在于根部致动器的不均匀膨胀。研究人员进一步研究发现,蒲公英种子的吸湿致动器源自花萼,主要由花裙座(floral podium)、维管系统、富含脂质的侧面和剩余的皮层细胞四种组织组成。其中冠毛纤维则在上边缘的表皮细胞中伸出,皮质组织排列在维管束和中央腔周围,整体呈现出复杂且精确图案化的径向对称几何形状。在干燥状态下,致动器中大多数细胞收缩堆积在一起,吸湿后不同程度的可逆膨胀可以使上百根冠毛向上和向内聚拢,实现集体运动。

冠毛致动器顶板结构吸湿后膨胀展开。图片来源:Nat. Commun.


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研究人员计算了致动器中不同部位吸湿后产生的相对位移。位移图突出显示,下皮质区域产生径向膨胀;冠毛附着的侧面向外移动并向上弯曲;维管束则主要产生径向和纵向膨胀位移。恰恰是组织的纵向膨胀使得结构中间的折痕由内向外完全展开,从而将冠毛附着部位向外拉,并将它们旋转到直立位置。犹如闭合的降落伞,吸湿后的蒲公英种子徐徐落下,落地生根。为了了解不同组织是如何协同工作的,研究人员还开发了吸湿致动器的有限元力学模型,进一步分析了结构与功能的关系。

致动器中不同部位的吸湿后产生的相对位移。图片来源:Nat. Commun.


致动器有限元模型。图片来源:Nat. Commun.


通常植物的运动依赖于膨胀组织和拮抗组织组成的双层结构,而蒲公英冠毛的致动器可以被认为是双层结构的变体,基于不同吸水能力与膨胀能力,共同协调位于外围的伞状冠毛的集体运动。这种有趣的运动模式或许能为仿生机器人提供更多的启发。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Dandelion pappus morphing is actuated by radially patterned material swelling

Madeleine Seale, Annamaria Kiss, Simone Bovio, Ignazio Maria Viola, Enrico Mastropaolo, Arezki Boudaoud & Naomi Nakayama 

Nat. Commun., 202213, 2498, DOI: 10.1038/s41467-022-30245-3


(本文由Silas供稿)


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