Kommen Sie und sehen Sie zu, wie sie in der Frühlingsbrise wieder „gebären“ und ihre Babys „auf die Welt bringen“!

Der Frühling ist da und es ist die Jahreszeit, in der alles wieder zum Leben erwacht ... nein, es ist die Jahreszeit, in der die Weidenkätzchen wild fliegen!

Die durch die Luft fliegenden Kätzchen beeinträchtigen nicht nur die Sicht, sondern bringen die Menschen auch zum Niesen und können sogar Hautallergien auslösen.

Aber was ist falsch an Kätzchen? Die Menschen möchten die Frühlingsbrise einfach zum Säen von Samen nutzen.

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Im Vergleich zu Tieren scheinen Pflanzen gegenüber ihren Kindern (Samen) rücksichtsloser zu sein und schicken sie immer weit weg (schließlich müssen sie, wenn sie bei ihnen bleiben, in Zukunft mit ihnen um Sonnenlicht, Land und Wasser konkurrieren).

Infolgedessen haben Pflanzen eine Vielzahl einzigartiger Methoden zur Samenverbreitung entwickelt.

Da ihre eigene Macht begrenzt ist, verlassen sich die meisten von ihnen lieber auf externe Kräfte. Manche Pflanzen nutzen in der Natur den Wind zur Verbreitung ihrer Samen, wie beispielsweise die Kätzchen, die wir eingangs erwähnt haben.

Heute werde ich Ihnen einige Informationen über die Pflanzen geben, die den Ostwind gut ausnutzen können, und zeigen, was die Menschheit von diesen Pflanzen gelernt hat.

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Löwenzahns Versprechen

Obwohl sie Kätzchen ähneln, scheinen die Menschen Löwenzahn nicht zu hassen. Stattdessen tragen sie viel Romantik in sich.

Mit Hilfe einer Brise können Löwenzahnblüten problemlos Hunderte von Metern weit fliegen.

Der Grund hierfür liegt zwar an seinem leichten Körper, wichtiger ist jedoch der „Auftrieb“, der durch den Flaum entsteht.

Schon bei Betrachtung mit bloßem Auge ist zu erkennen, dass sich auf den Löwenzahnsamen Hunderte von äußerst feinen Pappus befinden. Tatsächlich ist die Struktur jedes Pappus äußerst komplex. Unter dem Mikroskop ist die Spitze des Pappus gegabelt und bildet viele scharfe Dornen, die mit bloßem Auge schwer zu erkennen sind.

Dieser einzigartige Flaum verleiht dem Löwenzahn eine einzigartige Flugfähigkeit, da der durch die Bewegung des Pappus selbst erzeugte Luftstrom während des Abstiegs mit dem Luftstrom um die Samen herum interagiert.

Auf seinem „Kopf“ bilden sich zwei kleine Wirbel (Wirbelringe), die dem darunter liegenden Löwenzahnsamen zusätzlichen Luftwiderstand verleihen und ihm ermöglichen, länger in der Luft zu bleiben.

Löwenzahnsamen und die Wirbelringe, die durch die Strömung um sie herum entstehen. Quelle: Referenz [1]

Daten aus experimentellen Tests zeigen, dass Löwenzahn im Vergleich zu menschlichen Fallschirmen gleicher Masse und windexponierter Fläche etwa viermal länger in der Luft bleibt.

Wissenschaftler sind an diesem seltsamen Phänomen sehr interessiert und betreiben bionische Forschung an Löwenzahn, um neue Flugzeuge zu entwickeln und den Treibstoffverbrauch aktueller Flugzeuge und anderer Fluggeräte zu senken.

Gleichzeitig kann der Löwenzahn auch als Inspiration für die Gestaltung von Fallschirmen dienen. Wissenschaftler hoffen, neue Fallschirmtypen zu erfinden, um mehr Menschen retten zu können.

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Walzer der Ahornsamen

Im Gegensatz zum „Fallschirmjäger“-Löwenzahn sind die Samen mancher Pflanzen flugfreudiger. Sie möchten sogar direkt Flügel bekommen und auf der Stelle abheben.

Die Natur hat unzählige magische Pflanzen hervorgebracht, von denen einige propellerförmige Samen (①②③④ in der Abbildung unten) oder flatternde/scheibenförmige Samen (⑤⑥⑦ in der Abbildung unten) entwickelt haben.

Unter ihnen sind die Ahornsamen am auffälligsten.

„Fliegende Samen“ in verschiedenen Formen. Quelle: Referenz [2]

Die Samen des Ahornbaums haben einen schönen Namen: Flügelnüsse. Wie der Name schon sagt, haben sie Blätter wie Hubschrauberpropeller.

Unter ihnen umhüllt die Wurzel den Samenkörper und die anderen riesigen Blattadern haben keine Fortpflanzungsfunktion. Wenn es vom Ast fällt, dreht es sich während des Fallvorgangs und dient als „Kleidung“ des Samens.

Natürlich kann es ohne den Segen des Windes nicht frei fliegen.

Aus menschlicher Sicht scheint es keine rentable Angelegenheit zu sein, Samen in diese seltsame „Kleidung“ zu stecken. Schließlich sind ihre Chancen, eine Rolle zu spielen, sehr begrenzt und Flügelnüsse können beim Fallvorgang keine großen Entfernungen zurücklegen.

Tatsächlich sind die Flügelnüsse sehr leicht, insbesondere wenn sie vollständig ausgereift und trocken sind. Ihre riesigen „Kleider“ können, wenn sie vom Wind verweht werden, den Samenkörper an der Unterseite leicht bewegen und immer wieder einen Flug in Bodennähe absolvieren.

Ahornsamen und ihre Wirbel fallen von oben. Bildquelle: Referenz [3]

Natürlich haben auch das einzigartige Aussehen und die Flughaltung der Ahorn-Nüsse den Wissenschaftlern viel Inspiration gebracht.

Beispielsweise weisen die rotierenden Flügelnüsse viele Ähnlichkeiten mit den Rotorblättern rotierender Maschinen wie Bambushubschraubern, elektrischen Ventilatoren und Windturbinen auf.

Samara kann uns einige Referenzideen liefern, die uns beim Entwurf von Produkten mit besserer aerodynamischer Leistung helfen.

Im Jahr 2021 schlug ein Team von Wissenschaftlern aus Südkorea, dem Vereinigten Königreich, China, den Vereinigten Staaten und anderen Ländern ein Mikro-Luftfahrzeug vor.

Sie erfanden ein winziges Fluggerät, indem sie verschiedene Flugsamen untersuchten und die Prinzipien der Bionik anwandten.

Es ist mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet, die sich während des Fallvorgangs gleichmäßig und langsam drehen können.

Von Wissenschaftlern erfundenes 3D-Mikroluftfahrzeug. Bildquelle: Referenz [2]

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Das Wandern des Steppenläufers

Tatsächlich sind die Samen der meisten Pflanzen nicht so leicht wie eine Schwalbe und können nicht allein vom Wind über weite Strecken zurücklegen.

Um seine „Kinder“ auf ihre letzte Reise zu schicken, verfärben sich die grünen und flauschigen Pflanzen nach der Samenreife des Steppenläufers allmählich gelb und rollen sich zu einer Kugel zusammen, bevor die Wurzeln brechen.

Vom Wind verweht, rollten die Steppenläufer mit dem Wind und wurden allmählich runder. Während dieser holprigen Reise wurden auch die Zehntausenden von Samen, die sie mit sich führten, in jeder Ecke des Weges verstreut.

Steppenläufer werden auch „Wüstentramps“ genannt und sind neben Cowboys und Pferdekutschen ein Symbol der amerikanischen Westernkultur.

Wenn Sie jedoch die Möglichkeit haben, in die Antarktis zu reisen, sehen Sie möglicherweise einen großen Schneeball, der jedoch bei Wind wie ein rollendes „weißes Steppenläufergras“ aussieht.

Machen Sie kein Aufhebens, es ist nur ein „Tumbleweed Rover“.

Dabei handelt es sich um einen von Wissenschaftlern entwickelten „Ballon“, der Testinstrumente auf Basis von Steppenläufern transportieren soll.

NASA-Wissenschaftler schieben einen Tumbleweed-Rover (keinen Schneeball!). Quelle: NASA

Der Tumbleweed Rover wurde vom Jet Propulsion Laboratory der NASA entworfen und gebaut.

Im Vergleich zu Eis und Schnee in den Polarregionen wird im Inneren des Tumbleweed Rovers aufgrund der dort vorhandenen verschiedenen elektronischen Geräte und der geschlossenen Umgebung eine Temperatur von etwa 26,7 °C gehalten, was einem mit erwärmter Luft gefüllten Ballon entspricht.

Der Tumbleweed Rover verfügt über eine hervorragende Mobilität. Selbst in extremen und abgelegenen Umgebungen kann der Tumbleweed Rover problemlos über unwegsames Gelände „rollen“ und die Datenerfassung schnell abschließen.

Das Innere des Tumbleweed Rovers ist sehr komplex und alle Instrumente sind in einem an beiden Enden verbundenen Rohr befestigt, um zu verhindern, dass die Instrumente während des Rollvorgangs beschädigt werden oder herunterfallen.

Während der Bewegung kann das vom Rover getragene globale Satellitenpositionierungssystem seinen Standort sowie die Temperatur, den Druck, die Luftfeuchtigkeit und andere Informationen der umgebenden Luft in Echtzeit an die Bodenforschungsstation senden.

In den letzten Jahren plante die NASA die Entwicklung der nächsten Rover-Generation, die die Airbag-Struktur des Tumbleweed Rovers voll ausnutzen und als Fallschirm verwenden soll.

Wenn alles gut geht, könnte dieser neue Rover eines Tages auch an Bord eines Raumschiffs sein und auf der Marsoberfläche herumrollen.

Der Bau des Tumbleweed Rovers. Quelle: NASA Autorübersetzung

04

Fremdartige Arten: Invasion braucht immer noch Komplizen

Im Frühling, wenn alles sprießt, konkurrieren die Blumen um Schönheit und Pracht. Oberflächlich betrachtet sind es die fleißigen Bienen, die hart daran arbeiten, Pollen zu verbreiten. Tatsächlich ist der Wind die Hauptkraft bei der Verbreitung von Pollen.

Mit Hilfe des Windes hat Pollen die Fähigkeit erlangt, „Tausende von Kilometern zurückzulegen“, was eine bedeutende Rolle bei der Förderung der Pflanzenvermehrung gespielt hat.

Andererseits ist der Wind für invasive gebietsfremde Arten zweifellos ein Komplize; er vergrößert das Ausmaß des Schadens und verursacht noch schlimmere Folgen.

In den letzten Jahren wurde unser Land von der Invasion fremder Arten heimgesucht.

Beispielsweise verfügt das in den Anfangsjahren weit verbreitete Ambrosia über eine starke Fähigkeit, Dünger aufzunehmen und sich zu regenerieren. Auch nach vielen Schnitten kann es sich noch regenerieren. Die Pflanzen sind groß und stark, wachsen in Gruppen und sind oft schwer auszurotten.

Ambrosia befällt Felder mit verschiedenen Nutzpflanzen wie Weizen, Mais und Sojabohnen, verbraucht große Mengen Wasser und entzieht dem Boden Nährstoffe, wodurch der Boden trocken und unfruchtbar wird und das Pflanzenwachstum ernsthaft beeinträchtigt wird.

Darüber hinaus ist Ambrosiapollen der wichtigste Pollenallergentyp.

Wenn Pollen in der Luft sind, leiden Allergiker nach Kontakt mit Ragweed-Pollen unter Symptomen wie Asthma, Niesen, Schnupfen und sogar anderen Komplikationen, die zum Tod führen können.

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Als Reaktion auf diese Phänomene haben Wissenschaftler mit ihrer Forschung begonnen.

Tatsächlich gibt es auch bei der Verbreitung von Pollen gewisse Regeln. Wissenschaftler haben durch Experimente ein mathematisches Modell entwickelt, das der Verbreitung von Pollen entspricht.

Durch mathematische Berechnungen können Wissenschaftler den Ausbreitungsweg und die Reichweite eines ganzen Pollens (nicht jedes einzelnen Pollenkörnchens) genau vorhersagen, die Bewegungsmuster des Pollens erforschen und auf dieser Grundlage bestimmte technische Maßnahmen ergreifen, um die Pollenverbreitung wirksam zu kontrollieren.

Natürlich ähneln die Übertragungswege kleiner Partikel wie Staub, Schadstoffpartikel PM2,5 usw. denen von Pollen.

Wissenschaftler haben sich intensiv mit diesen kleinen Partikeln beschäftigt und zahlreiche Formeln entwickelt, mit denen sich ihre Bewegungsmuster vorhersagen lassen, um den Menschen zu helfen, mit den Gefahren, die von ihnen ausgehen, besser umzugehen.

Abschluss

Unerwarteterweise ist es den Wissenschaftlern gelungen, mithilfe dieser scheinbar unscheinbaren Pflanzen so viele fantastische „schwarze Technologien“ zu entwickeln.

Es scheint, dass wir auf dem Weg zum Fortschritt niemals auf die Natur, unseren tiefgreifenden Mentor, verzichten können.

Quellen:

[1] Cummins, C., Seale, M., Macente, A., Certini, D., Mastropaolo, E., Viola, IM, & Nakayama, N. (2018). Dem Flug des Löwenzahns liegt ein getrennter Wirbelring zugrunde. Nature, 562, 414-418. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0604-2.

[2] Kim, BH, Li, K., Kim, JT. et al. Dreidimensionale elektronische Mikroflieger, inspiriert von durch den Wind verbreiteten Samen. Nature 597, 503–510 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y

[3] Dong Lin, Wen Guoan, Lei Ziwei et al. PIV-Experimentelle Studie des Wirbelsystems während des rotierenden Fallprozesses von Samenblättern[J]. Experimentelle Strömungsmechanik, 2021, 35(5): 54-60.

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

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Cheng Mingchen

Hersteller: China Science Expo

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