Лети отсюда

Как плоды и семена занимаются воздухоплаванием

Тесниться большой семьей на небольшом пространстве не очень приятно — и ресурсов может не хватать, и распространить свое влияние хочется. Растения ходить не умеют, поэтому квартирный вопрос решают иначе. Один из самых популярных способов избавиться от детей — пустить их по ветру.

Чтобы послать отпрысков подальше, растения прибегают к разным ухищрениям. Кто-то оснащает их крыльями, кто-то — пропеллерами, кто-то выдает парашют. У каких-то растений летают плоды, у каких-то — сами семена. От выбора зависит как дальность, так и успех перелета.

В 1986 году американская ботаник Кэрол Аугшпургер (Carol K. Augspurger) выделила шесть разновидностей летающих плодов и семян:

  • поплавок (floater),

  • ондулятор (undulator),

  • вертолетик (helicopter),

  • вращающийся барабан (tumbler),

  • пропеллер (autogyro),

  • пропеллер, который вращается вокруг своей длинной оси (rolling autogyro).

Сейчас используют деление попроще: на вертолетики, парашютики и планеры. С точки зрения ботаники, большинство летающих плодов — крылатки. Это односемянные плоды с одним или несколькими крыльями и центром тяжести в области семени. Крылья у крылаток бывают самые разные: плоские, изогнутые, некоторые потверже, другие гибкие.

Все вращающиеся крылатые плоды попадают в группу вертолетиков — просто с разным количеством крыльев. Но в зависимости от количества крыльев и способа вращения их условно можно поделить на две — однокрылые «пропеллеры» и радиально симметричные «вертолетики» с несколькими лопастями.


Пропеллеры

Плоды-пропеллеры, например, у клена. В полете они вращаются вокруг одного из своих концов. При вращении передний край крыла рассекает воздух и создает вихрь, сходящий с передней кромки (leading edge vortex).

Лопасть кленовой крылатки описывает в полете широкий конус. За счет вихревых потоков, которые создает это вращение, будущий клен медленно снижается примерно 20 секунд  — этого времени обычно хватает на то, чтобы ветер подхватил снижающийся плод и отнес подальше от материнского дерева.

Вот так выглядит вихревой поток вокруг вращающегося плода клена белого (Acer pseudoplatanus):

Чтобы вихревые потоки генерировали подъемную силу, плоскость кленового крыла отклоняется от горизонтали примерно на 20 градусов. Этого хватает, чтобы кленовый пропеллер раскручивался до примерно 20 оборотов в секунду, снижая скорость падения 40-миллиграммового семени примерно до метра в секунду.

Аналогичные вихревые потоки держат в воздухе плод клена дланевидного (Acer palmatum).

Двукрылатки клена дланевидного (Acer palmatum) / UnconventionalEmma / flickr

Ближе к центру тяжести летящего плода огибающий его воздушный поток завихрен, а на конце вращающейся лопасти — нет. Так центр вихря оказывается ближе к оси вращения крылатки и создает подъемную силу, которая частично компенсирует силу тяжести.

Такой же принцип полета использует свитения крупнолистная (Swietenia macrophylla), которая растет в тропических лесах Южной и Центральной Америки. Только у нее летают не плоды, а отдельные семена.

Аэродинамика у этих семян — примерно такая же, как и у односемянных плодов клена: лопасть, вращаясь, стабилизирует поток на своем конце, фокусируя центр вихря над плодом.

Ученые, изучающие аэродинамические свойства плодов и семян, визуализируют работу лопастей с помощью велосиметрии движущихся частиц (particle image velocimetry, PIV). Для этого плод-пропеллер запускают в аэрозоль люминесцентных частиц и подсвечивают лазером.

Плод ясеня внешне похож на крылатку клена, но он намного тверже и симметричнее. Отрываясь от ветки, он точно так же начинает крутиться вокруг более тяжелого конца, к которому крепится семя.

Но в отличие от крылатки клена, плод ясеня еще вращается и вокруг своей длинной оси. Такое вращение тоже устойчивое и генерирует вихрь, который дольше удерживает плод в воздухе.

Вертолетики

У вертолетиков лопастей больше и они другой формы — изогнутые. В полете плоды вращаются вокруг вертикальной оси симметрии, которая проходит через центр плода.

Вот так, например, летают плоды триплариса (Triplaris sp.) с тремя лопастями:

Это один из самых эффективных летательных аппаратов среди плодов с лопастями — вертолетик триплариса — за секунду снижается лишь на 75 сантиметров. Примерно в полтора раза медленнее, чем кленовые пропеллеры. Так же вращаясь, опускаются к земле и двухлопастные плоды двукрылоплодника (Dipterocarpus grandiflorus). 

Вертолетики, оторвавшись от ветки, сразу же начинают вращаться, генерируя подъемную силу. Она вместе с силой сопротивления воздуха частично компенсирует силу тяжести и увеличивает таким образом время падения.

Норвежские физики в 2019 году провели серию экспериментов и построили модели крылатых плодов, чтобы уточнить аэродинамику их полета. Они выяснили, что оптимальный угол между основанием и кончиком крыла составляет примерно 110 градусов. Тогда и двух-, и трех, и пятикрылые плоды будут держаться в воздухе дольше всего. Ученые определили это, моделируя плоды, и обратили внимание, что настоящие растения пришли к тому же самому выводу в ходе эволюции.

Планеры

В отличие от кленовых вертолетиков, планирующие семена — например, вяза — не полагаются на вращение. Поверх его семени вырастает одно большое крыло, которое увеличивает сопротивление воздуха во время падения.

Плоды вяза (Ulmus rubra) / Dan Mullen / flickr

Такой полет довольно медленный, но без вращения — неустойчивый. Планирование крылатки вяза генерирует нерегулярные вихри, из-за которых она часто и непредсказуемо меняет свою ориентацию, поэтому падает вниз скачками. Так выглядит полет плода вяза в замедленной съемке:

Зато если совместить планирование и вращение, то можно добиться долгого и при этом устойчивого снижения. Так делает, например, «вертолетчица» тристаллатея, у плодов которой очень большие лопасти для своей массы — к «кабине» весом 20 миллиграммов крепятся лопасти диаметром около двух сантиметров. За счет вращения плоды сохраняют ориентацию и падают со скоростью не больше полуметра в секунду.

Другой пример совмещения планирования на широком крыле с вращением — плоды фирмианы простой (Firmiana simplex). У фирмианы плод уже не крылатка, а листовка — несколько семян, прикрепленных к сухому околоплоднику в форме листа. Раскрывшись, лист превращается в крыло в форме слегка закрученной в спираль ленты.

Такой летательный аппарат может взять на борт до четырех пассажиров-семян. Листовка вращается со скоростью от 7 до 15 оборотов в секунду, в зависимости от числа семян и, соответственно, массы на квадратный сантиметр крыла — и идет вниз не быстрее одного-двух метров в секунду.

Парашютики

Если деревьям и другим высоким растениям, чтобы отправить потомство куда подальше, достаточно сконструировать для них планер, который снизит скорость их падения хотя бы до метра в секунду, то невысоким травянистым растениям приходится придумывать что-то посерьезнее. Одуванчики, например, снабжают свои семена парашютиками и ждут попутного ветра.

Плод одуванчика (Taraxacum officinale) / frankieleon / flickr

Когда тот дует достаточно сильно, то отрывает семена от растения, и те отправляются в полет. Для того, чтобы он был устойчивым, сила лобового сопротивления, которая держит парашют в воздухе, должна почти полностью уравновешивать силу тяжести семечка. Тогда все будет зависеть от бокового ветра: чем дольше и сильнее будет ветер, тем дальше улетит плод. Парашюты одуванчиков не представляют собой монолитный парус, а разбиты на отдельные нити, примерно сто штук. Благодаря этому вихрь, который возникает во время полета плода (это в данном случае семянки с хохолком), становится симметричнее и уже. Лобовое сопротивление такого парашюта примерно в четыре раза больше, чем было бы у сплошного диска того же радиуса.

Вместо крыльев

Другие растения непостоянству ветра свое потомство не доверяют. Вместо того, чтобы снаряжать плоды инструментами для воздухоплавания, сами бросают их подальше, иногда на несколько метров — поэтому в «аэродинамический» реестр не входят. Хотя некоторые из них и оптимизировали под эту задачу и себя, и аэродинамику своих снарядов. 

Катапультируемые семена отправляются в полет либо в тот же миг, когда лопается плод, либо после его раскрытия. В момент отрыва энергия связи с родителем преобразуется в кинетическую энергию улетающего отпрыска.


Растениям, которые еще и оптимизировали форму семян, удается запускать их совсем далеко. Например, руэллия закручивает свои дисковидные семена до полутора тысяч оборотов в секунду, благодаря чему они стабилизируют свой полет и могут пролететь расстояние до семи метров.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.