Автор: Александр Дубов. 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).

1Carol K. Augspurger / American Journal of Botany, 1986

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).

Плоды клена белого (Acer pseudoplatanus) / Mark Seton / flickr

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):

David Lentink et al. / Science, 2009

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.

Последовательные кадры падения плода клена белого (Acer pseudoplatanus) / David Lentink / Wageningen University

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.

Скорость (сверху) и завихренность (снизу) воздушного потока вокруг падающего плода клена дланевидного (Acer palmatum) в разных сечениях крыла. y/R = 0,25 — ближе к оси вращения, y/R = 0,75 — ближе к краю крыла / Sang Joon Lee et al./ Experiments in Fluids, 2014

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.

Раскрывшийся плод свитении крупнолистной (Swietenia macrophylla) на ветке / Mauricio Mercadante / flickr

Плод и семена свитении крупнолистной (Swietenia macrophylla) / Lauren Gutierrez / flickr

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.

Визуализация воздушного потока вокруг плода светании в вертикальном срезе, который проходит через его кончик. Показаны векторное поле скоростей, линии тока и распределение разных компонент скорости (U — горизонтальные компоненты, W — вертикальная), и завихренности потока ω / E. Salcedo et al. / The Journal of Experimental Biology, 2013

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.

Визуализация потока воздуха с помощью велосиметрии люминесцентных частиц / Bong Hoon Kim et al. / Nature, 2021

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.

Крылатки ясеня бархатного (Fraxinus velutina) / Forest and Kim Starr / flickr

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.

Последовательные кадры падения плода ясеня (Fraxinus sp.) / Rui Fang et al. / World Journal of Engineering and Technology, 2017

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:

Fairchild Garden / YouTube

Это один из самых эффективных летальных 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).

Плоды двукрылоплодника (Dipterocarpus grandiflorus) / Cerlin Ng / flickr

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.

Падение модельных плодов двукрылоплодника (Dipterocarpus alatus) с разным углом между основанием и кончиком / Jean Rabault et al./ Physical Review Letters, 2019

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:

Падение плода вяза (Ulmus sp.). Видео замедленно в 42 раза / Vikram Iyer et al. / Nature, 2022

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.

Плод тристеллатеи (Tristellateia australasiae) / Cerlin Ng / flickr

Полет плода тристеллатеи (Tristellateia australasiae) / Bong Hoon Kim et al. / Nature, 2021

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.

Плоды фирмианы простой (Firmiana simplex) / jacki-dee / flickr

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.

Последовательные кадры падения листовок фирмианы простой (Firmiana simplex) с разной степенью закрученности. На шкале в правой части кадров обозначена ориентация плода / Shi-Rui Gan et al. / BMC Plant Biology, 2022

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.

Cathal Cummins et al. / Nature, 2018

Вихревые потоки в следе падающего парашютика одуванчика (Taraxacum officinale). Масштабные линейки — 5 миллиметров / Cathal Cummins et al. / Nature, 2018

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.

Разлет дисковидных семян руэллии (Ruellia ciliatiflora) после разрыва плода / E. S. Cooper et al. / Journal of The Royal Society Interface, 2018

Александр Дубов