От пассивного к информированному: механические способы рассеивания семян

12 November 2019
A full set of statistics will be available when the publication has over 100 views.

Введение

От повседневных случаев, таких как бегство плодов одуванчика или животных, потребляющих семена, до экстремальных событий высвобождения семян после сжигания или взрывного выброса, рассредоточение - это физический процесс, в котором семена или плоды перемещаются из одного места в другое.

В результате растения эволюционировали в рассеивающие единицы (диаспоры) с разнообразными и зачастую сложными структурами для облегчения перемещения либо за счет собственных источников энергии (например, рассеивания взрывчатых веществ), либо за счет экологических или биотических носителей.

Семена льна. Источник: https://pixabay.com/ru/photos/%D1%81%D0%B5%D0%BC%D1%8F-%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0-%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B0-%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D0%B7%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9-1274944/
Семена льна. Источник: https://pixabay.com/ru/photos/%D1%81%D0%B5%D0%BC%D1%8F-%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0-%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B0-%D0%B5%D1%81%D1%82%D1%8C-%D0%B7%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9-1274944/

Строительство семян и всех специализированных покрытий и придатков вокруг них является энергоемким процессом. Хотя распространение семян, по-видимому, находится под ограниченным биологическим контролем, складывающаяся картина указывает на то, что растения разработали различные стратегии повышения своей пригодности путем селективного рассеяния.

Механические способы рассеивания

Механизмы полета

Распространение ветра является обычным явлением, учитывая повсеместное присутствие ветра практически во всех средах. Присадки, позволяющие полет, не являются абсолютно необходимыми, поскольку даже неспециализированные семена могут рассеиваться ветром, но наличие мембранных крыльев или пушистых волосков существенно повышает потенциал рассеивания.

Семена крылатого клена автоматически вращаются и поднимаются при падении, принимая оптимальную форму, размер и угол атаки для формирования вихря.

По сравнению с простым скольжением, например, в березовых семенах, кленовый вихрь и соответствующая авторотация дают больше времени для спуска при заданном размере и весе. В отличие от однолопастных кленовых семян, диптерокарповые используют многокрылый подход к автоповороту.

Семена клена с "крылышками". Источник: https://yandex.ru/images/search?text=%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B0&pos=0&img_url=https%3A%2F%2Fi0.wp.com%2Ftsvetydoma.ru%2Fwp-content%2Fuploads%2F2016%2F12%2Facer_saccharum_W-MA_11s.jpg&rpt=simage
Семена клена с "крылышками". Источник: https://yandex.ru/images/search?text=%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5%20%D1%81%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D0%B0&pos=0&img_url=https%3A%2F%2Fi0.wp.com%2Ftsvetydoma.ru%2Fwp-content%2Fuploads%2F2016%2F12%2Facer_saccharum_W-MA_11s.jpg&rpt=simage

Как и у клена, хороший показатель скорости падения - квадратный корень нагрузки на крыло (вес, разделенный на площадь крыла). Однако это не может полностью объяснить наблюдаемую связь между весом и скоростью падения трехмерных печатных моделей семян с различной кривизной крыла.

Вместо этого, кажется, что плоды принимают оптимальную кривизну крыла, чтобы увеличить время спуска. Такая морфология включает в себя кривизну и длину, благодаря чему значительная часть наконечника крыла ориентирована почти горизонтально. Прядение плодов происходит с помощью вертолетообразного механизма, в котором горизонтальная сила на крыльях способствует большему переднему подъему, чем заднему.

Для малых или легких диаспор крылья не нужны для эффективного полета. Волосы или щетина формируют папу многих диаспор астерейских, и подобные структуры независимо развивались в других семьях, таких как апоцинаки. Одуванчик-паппус содержит около 100 мелких волосков, сделанных из полых мертвых клеток.

Эти волоски занимают лишь около 10% структуры папп, при этом между ними пустота, и это расстояние имеет решающее значение для механизма полета. Визуализация течения после папы выявила отдельное вихревое кольцо, в котором воздух стабильно циркулирует на небольшом расстоянии от самой папы.

Это связано с наличием пограничного слоя относительно вязкого воздуха, который не может легко проходить между волосами. Вместо этого большая часть потока проходит через внешние края паузы. При скорости, с которой одуванчиковая диаспора обычно падает через воздух, снижение пористости (более близкое расстояние между волосами) приведет к ассиметричному выпадению вихря из папы, дестабилизируя ее полет. И наоборот, повышенная пористость или меньшее количество волосков позволит воздуху легко проходить между ними и уменьшит тяговое усилие.

Выводы

Распространение - это единственный способ перемещения растений из одного места в другое, поэтому неудивительно, что для достижения этого растения используют множество физических механизмов.

Изменяя точно настроенную анатомию и морфологию, многие растения могут осуществлять определенный контроль над своим рассредоточением.

Это обусловлено взаимодействием между структурой растения и факторами окружающей среды, включая те, которые способствуют его рассеянию (например, ветер), а также факторами, более важными для последующего роста и выживания растений, такими как температура и влажность.

В настоящее время имеется слабое механическое понимание физических способов контроля и настройки процессов рассеяния в зависимости от условий окружающей среды; экологические модели распределения видов, как правило, включают только сильно упрощенные меры по определению характеристик рассеяния.

По мере изменения климата меняются условия окружающей среды, и будет становиться все более необходимым понимать и внедрять эти взаимодействия между рассеянием и окружающей средой в модели для прогнозирования их экологических последствий.