蚂蚁屁股涂胶水,开着飞机吹泡泡?为了给花传粉,科学家能有多拼

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蚂蚁屁股涂胶水,开着飞机吹泡泡?为了给花传粉,科学家能有多拼

授粉,将花粉从雄蕊转移到雌蕊,帮助植物结出果子。全球四分之三的农作物都需要授粉,其中很多需要蜜蜂、蝴蝶这些传粉昆虫的帮忙。

一只满身花粉的蜜蜂 | Pixabay

然而,因为气候变化和杀虫剂滥用等问题,全球范围内能帮助授粉的昆虫数量严重下降。当然,人们可以用棉签或小刷子进行手工授粉。但是,这种方法的人工成本太大。而且花粉的收集成本很高,经不起使用鼓风机之类的设备进行大范围喷洒。

宫古英次郎(Eijiro Miyako),一直在思考如何能高效、经济地给花朵进行人工授粉。

宫古英次郎,日本北陆先端科学技术大学院大学的副教授,研究领域涉及化学、生物工程、纳米科学 | nanooze.org

蚂蚁屁股涂胶水

如果观察一只蜜蜂,会发现它的腿上和腹部有一些绒毛,这些小毛毛能够粘上花粉从而完成后续授粉过程。

所以,要想设计一种人工授粉工具,首先面对的问题是如何粘上花粉。

宫古英次郎的解决方案是——开发一种特殊 ” 胶水 “。

这种胶水准确来说是一种凝胶。常规凝胶主要由水制成,但水的蒸发会造成凝胶变质。而英次郎开发的这种凝胶,主要成分是一种离子液体(ionic liquid)。

离子液体是一种在室温下呈液态的盐,即使放在真空或热烤箱中,也不会蒸发。因此,这种离子液体做成的凝胶能长时间地保持黏性。

英次郎所开发的离子液体凝胶的成分与合成方法 | 参考文献 [ 1 ]

说起来,发现这种凝胶的过程还挺巧合的。在一次采访中,英次郎坦言道,十年前他做了另一个完全不相关的实验,这个凝胶就是当时遗留下来的样品,一直放在抽屉里。

两年前,他实验室搬家,收拾东西时,才猛然发现这个十年前的样品。没想到,这些年来,凝胶的大小、体积和黏度都没有改变。而且,离子液体凝胶也有很好的润湿性,能方便地涂在毛发或者皮肤表面。

英次郎意识到这种凝胶也许能用来粘花粉。

于是,他找来一些蚂蚁,在蚂蚁屁股上沾了点凝胶 ” 胶水 “,再把蚂蚁放到郁金香的花朵中。

(虽然论文中并没有提及,但作者猜测这些蚂蚁可能是英次郎在实验楼外面的草地抓的,花也是在附近找的)

将胶水涂在蚂蚁屁股上,然后将蚂蚁放到花朵中 | 参考文献 [ 1 ]

经过观察,这些蚂蚁在花中移动时,身上会附着大量的花粉粒。通过显微镜放大,涂了胶水的蚂蚁身上粘的花粉数量远远超过了普通蚂蚁。

(左)涂了胶水的蚂蚁,腹部沾满了花粉;(右)没有涂胶水的蚂蚁,几乎没有沾上花粉 | 参考文献 [ 1 ]

考虑到了一定有很多关心蚂蚁健康的朋友。英次郎连续观察了好几天 ” 胶水蚂蚁 “,它们活得好好的,也没出现运动方面的问题。

总之,屁股上涂了胶水的蚂蚁有成为 ” 蜜蜂接班人 ” 的潜力。

当然,蚂蚁没有给花传粉的责任。自然界还是讲究一个各司其职,分工配合。为了避免蚂蚁肩上的负担过于沉重,英次郎将目光投向了无人机

无人机加马毛刷子

现在市面上有很多小巧的无人机,价格也不贵。英次郎买了一种大小只有几厘米的无人机。

好嘞,可以在无人机上涂胶水了。

因为无人机没有屁股,所以要给它加点毛发,用来模拟蜜蜂体表的绒毛。

英次郎搞来了一些马鬃毛,准备粘在无人机上。然而,这些马毛都是杂乱无章趴着的,毛发的很多表面利用不上,能沾上的花粉量也有限。

为了让马毛立起来,英次郎在粘着马毛的基板上施加一定的电压,由于静电作用,这些马毛就一根根地立了起来,形成垂直排列的毛发阵列。这和冬天脱毛衣,静电会让头发立起来的道理一样。

在马毛阵列上涂上离子液体凝胶 ” 胶水 “,马毛的状态也没怎么改变。

(左)施加电压后,马毛立了起来;(右)涂上 ” 胶水 ” 马毛阵列也没有倒塌 | 参考文献 [ 1 ]

最后,再将这挺立的马毛垫子贴在无人机下面,一只人造蜜蜂就做好了。

当无人机触摸花朵时,涂了胶水的马毛就能大量地捕获花粉。

无人机 + 马毛组成的 ” 人造蜜蜂 ” | jaist.ac.jp

实验室的小伙伴们,在不远处控制着无人机,让这只 ” 人造蜜蜂 ” 不断在花朵间盘旋,下落,完成一只授粉工具的职责。

无人机授粉过程 | CNN

当然,这只 ” 人造蜜蜂 ” 也有很多缺点。比如它需要人来操控,每只人造蜜蜂,需要配备一个优秀的人类无人机飞行员。更糟糕的是,虽然无人机只有不到 4 厘米,但它的冲击还是太猛了,很容易就把花朵打坏了。

开飞机吹泡泡

英次郎的人工授粉陷入停滞。如何克服无人机授粉的这些缺点?这些问题一时没有好的答案。难道只能等到更精的密无人机、更先进的控制系统被开发制造出来?

他和儿子一起玩泡泡,边玩边思考这些问题。

看到肥皂泡击打在儿子的脸上,英次郎再次有了灵感——也许泡泡能够用来授粉。

想必英次郎的儿子此时会疑惑:不过是吹个泡泡,爸爸为什么这么开心?

就这样,英次郎开始和同事鼓捣起泡泡了。泡泡中的关键成分是表面活性剂,表面活性剂的种类五花八门,如何找到自己的本命泡泡,需要耐心探索。

他们将花粉和不同的表面活性剂进行混合,不断调试配比。在这一过程中,英次郎发现在泡泡形成时,表面活性剂会转变为双层分子,其中头部朝向水膜,尾部朝向空气。花粉粒则会被泡泡溶液挤出,吸附在薄膜表面。

泡泡中表面活性剂形成双层分子,将花粉推到泡泡膜的表面 | 参考文献 [ 3 ] ,汉化:圆的方块

在实验了多种泡泡配方之后,英次郎团队选择了 0.4%浓度的椰油酰胺丙基甜菜碱 ( lauramidopropyl betaine ) 。

这个配方吹出的泡泡,比较结实,环境危害也较小,按照英次郎的说法 ” 你甚至可以喝它 “。

他们吹的泡泡,每个能黏上 2000 粒花粉。甚至还可以在泡泡溶液里加一些含有硼、钙钾的营养素,以增强花粉萌发。更重要的是,泡泡足够轻巧柔软,落在花朵上,不会破坏花蕊。

泡泡落在花蕊上 | 参考文献 [ 3 ]

英次郎和助手将花粉泡泡溶液装满了气泡枪。带着精良的装备,他们走进了一个果园,向园中的梨花开了枪。

泡泡枪可以直接发射沾有花粉的泡泡 | 参考文献 [ 3 ]

实验中,英次郎他们在每朵梨花上喷了 2~10 个泡泡。16 天后,这些经过泡泡授粉的花,95% 都结出了果实,这与传统手工授粉结果率相同。没有授粉的对照组结果率只有 58%(风和昆虫帮忙授了一小部分粉)。

泡泡授粉法结出的果子与传统方法形状和大小相同 | 参考文献 [ 3 ]

经过计算,泡泡授粉所需要花粉粒要少得多。传统用小刷子的手工授粉,一次要消耗 1747 毫克花粉。泡泡法只要两三个肥皂泡就能完成一次授粉,每次只要不到 0.1 毫克的花粉。

英次郎满意地放下了枪,开始打造进化版的 ” 人工蜜蜂 “。

这次的无人机是个大块头,因为需要驮着满满的泡泡液。助手还改造了一个自动泡泡机,把它悬挂在 GPS 控制的无人机上。

这台颇具气势的飞行器堪称 ” 授粉界王者 ” ——每分钟能发射 5000 个花粉泡泡,还能从 2 米的高度以 90%的成功率命中花朵。

无人机下面悬挂泡泡发生器 | 参考文献 [ 3 ]

当然,即便是授粉王者,也还是有局限。泡泡授粉法在刮风下雨天就无法施展。不过话又说回来,刮风下雨的日子,蜜蜂们似乎也不太努力工作。

小结

从放在抽屉里 10 年的样品,到儿子玩耍时吹出的泡泡,宫古英次郎的人工授粉之路,还在继续。

他向我们展示了科研性与趣味性的结合,做出了真正的 ” 好玩的科学 “。

最后,让我们感受下花粉泡泡机的威力。

泡泡授粉法中无人机下悬挂的自动泡泡机 | 参考文献 [ 3 ]

piu piu piu~~

作者名片

作者:圆的方块

编辑:悲催的铊宝宝

排版:凝音

题图来源:参考文献 [ 3 ]

参考文献:

[ 1 ] Chechetka, S. A., Yu, Y., Tange, M., & Miyako, E. ( 2017 ) . Materially engineered artificial pollinators. Chem, 2 ( 2 ) , 224-239.

[ 2 ] Rogers, K. ( 2020 ) . With bees in short supply, soap bubbles could assist with pollination, study finds. https://edition.cnn.com/2020/06/17/world/soap-bubble-robotic-pollination-study-scn/index.html

[ 3 ] Yang, X. & Miyako, E. ( 2020 ) . Soap Bubble Pollination. iScience, 2020, 101188

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