蒲公英種子為什麼能飛那麼遠?

撰文|葉綠舒

蒲公英(dandelions,Taraxacum officinale agg.)是多年生宿根草本植物,全世界都有分佈。雖然在許多區域蒲公英被視為雜草或入侵植物,但蒲公英嫩葉可吃、根乾燥磨粉後可做為咖啡替代物、花可以用來泡蒲公英酒。在中醫學上,蒲公英全草皆可入藥,有「清熱解毒,消癰散結」的效果[1]

不論蒲公英到底是藥用、食用甚或是入侵植物,相信許多人—不管是大人或小孩—看到蒲公英成熟的花序時,總會想要摘下它,對這那滿滿一球的種子呼地吹一口氣。看著那毛茸茸的種子搖搖擺擺地非向天際,彷彿有任何煩惱也跟著種子們飄向遠方,一時俱忘。

是否曾認真的想過,蒲公英的種子究竟能飄多遠?它們為何能飄得那麼遠呢?愛丁堡大學的一群科學家們,對於蒲公英究竟為何能飄得那麼遠發生了興趣(一般大約落在兩公尺的範圍之內,但有些可飄到一公里遠以外的地方),便建造了一個垂直的風洞,來觀察蒲公英種子們在氣流中的表現[2]

科學家們觀察到:在蒲公英種子冠毛的上方會產生分離渦流(SVR,separated vortex ring)。過去也曾有人提出產生分離渦流的可能性,但總認為應該不夠穩定。沒想到蒲公英種子冠毛的上方真的可以看到穩定的分離渦流!

過去曾在實心圓盤上看過渦流產生,但一般不會是分離的;形成後也不大穩定。是否這穩定的分離渦流是由於蒲公英種子冠毛特殊的構造造成的呢?科學家們仔細檢視蒲公英的冠毛,發現它是由大約100根長7.4毫米(mm)、直徑16.3微米(mm)的細毛構成,造成整個圓盤的空間大部分是空的(91.6%為空間)。

雖然這樣構成的圓盤似乎是大部分空的,但研究團隊發現,個別冠毛間因為有厚厚的界面層(boundary layer),使得能流過冠毛之間的氣流大大減少。這個現象稱為「壁面效應」(wall effect)。在「壁面效應」的幫助下,冠毛能產生的拖曳效果比實心圓盤(如相同大小的降落傘)要高四倍。另外,在冠毛所構成的似虛實實的圓盤下,也出現了負壓,進一步增加了拖曳的力量。

到底是不是因為形成了這樣似虛實實的構造,使蒲公英的種子能飛得更高更遠呢?研究團隊為了進一步佐證這個想法,便以矽膠做出來的小圓盤來進行實驗。以多孔性不同的矽膠碟在風洞中進行實驗的結果發現,當多孔性上升(也就是矽膠碟的型態越接近蒲公英冠毛),在矽膠碟上產生的渦流與碟之間的距離便開始拉大,軸對稱性也開始下降—也就是越來越像在蒲公英冠毛上所看到的分離渦流了!過去也曾有研究發現,單純的矽膠圓盤在空氣中,會一面旋轉一面快速的下降;當科學家把圓盤中間打個洞時,旋轉的狀況反而減緩,而下降的速度也便慢了。總而言之,當蒲公英種子因冠毛產生的分離渦流與下方的負壓,使種子在氣流中緩緩上升時,冠毛的構造能更進一步減緩旋轉,於是小小的蒲公英種子便在風中扶搖直上、緩緩下降了。

藉風力傳播種子的植物一般分為兩種:一種是如蒲公英一樣,使用冠毛所構成的「拖曳傘」的拖曳傘派;另一種則是如楓樹一般,以薄膜構成的「滑翔翼」的滑翔翼派。為何蒲公英不選擇滑翔翼而要使用拖曳傘呢?研究團隊觀察發現,滑翔翼派的種子,因為需要前緣延伸渦流(leading-edge vortex)來降低滑翔翼上方的氣壓來達成飛行,因此需要能夠從高處滑下才能成功起飛。雖然滑翔翼派可以飛得比較遠、也能帶動比較大的種子,但需要從高處滑下卻不僅是蒲公英這種株高只有十到二十公分的小草辦得到的,即使對於同屬菊科的其他植物來說,也大有困難;因此,菊科的飛行小草們都不約而同地靠向了拖曳傘派。只要天氣好時,便可看到一個個小傘們張開它們的冠毛,藉著好風搖搖擺擺地直上青雲,再緩緩地降落到另一個新天地囉!不過也別小看拖曳傘派的植物們,雖然大部分蒲公英的種子都落在兩公尺附近,但其他菊科種子可以飛行超過三十公里,甚至有超過一百五十公里的紀錄喔!

 

參考資料:

[1] 蒲公英。醫砭。(http://yibian.hopto.org/yao/?yno=162)

[2] Cummins C. et. al., 2018. A separated vortex ring underlies the flight of the dandelion.Nature. 562:414-8

 

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

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