[科普中國(guó)]-螞蟻屁股涂膠水，開(kāi)著飛機(jī)吹泡泡？為了給花傳粉，科學(xué)家能有多拼

授粉，將花粉從雄蕊轉(zhuǎn)移到雌蕊，幫助植物結(jié)出果子。全球四分之三的農(nóng)作物都需要授粉，其中很多需要蜜蜂、蝴蝶這些傳粉昆蟲(chóng)的幫忙。

一只滿身花粉的蜜蜂 | Pixabay

然而，因?yàn)闅夂蜃兓蜌⑾x(chóng)劑濫用等問(wèn)題，全球范圍內(nèi)能幫助授粉的昆蟲(chóng)數(shù)量嚴(yán)重下降。當(dāng)然，人們可以用棉簽或小刷子進(jìn)行手工授粉。但是，這種方法的人工成本太大。而且花粉的收集成本很高，經(jīng)不起使用鼓風(fēng)機(jī)之類的設(shè)備進(jìn)行大范圍噴灑。

宮古英次郎 （Eijiro Miyako） ，一直在思考如何能高效、經(jīng)濟(jì)地給花朵進(jìn)行人工授粉。

宮古英次郎，日本北陸先端科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)的副教授，研究領(lǐng)域涉及化學(xué)、生物工程、納米科學(xué) | nanooze.org

螞蟻屁股涂膠水

如果觀察一只蜜蜂，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的腿上和腹部有一些絨毛，這些小毛毛能夠粘上花粉從而完成后續(xù)授粉過(guò)程。

所以，要想設(shè)計(jì)一種人工授粉工具，首先面對(duì)的問(wèn)題是 如何粘上花粉 。

宮古英次郎的解決方案是——開(kāi)發(fā)一種特殊“膠水”。

這種膠水準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)是一種凝膠。常規(guī)凝膠主要由水制成，但水的蒸發(fā)會(huì)造成凝膠變質(zhì)。而英次郎開(kāi)發(fā)的這種凝膠，主要成分是一種離子液體 （ionic liquid） 。

離子液體是一種在室溫下呈液態(tài)的鹽，即使放在真空或熱烤箱中，也不會(huì)蒸發(fā)。因此，這種離子液體做成的凝膠能長(zhǎng)時(shí)間地保持黏性。

英次郎所開(kāi)發(fā)的離子液體凝膠的成分與合成方法 | 參考文獻(xiàn)[1]

說(shuō)起來(lái)，發(fā)現(xiàn)這種凝膠的過(guò)程還挺巧合的。在一次采訪中，英次郎坦言道，十年前他做了另一個(gè)完全不相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)凝膠就是當(dāng)時(shí)遺留下來(lái)的樣品，一直放在抽屜里。

兩年前，他實(shí)驗(yàn)室搬家，收拾東西時(shí)，才猛然發(fā)現(xiàn)這個(gè)十年前的樣品。沒(méi)想到，這些年來(lái)，凝膠的大小、體積和黏度都沒(méi)有改變。而且，離子液體凝膠也有很好的潤(rùn)濕性，能方便地涂在毛發(fā)或者皮膚表面。

英次郎意識(shí)到這種凝膠也許能用來(lái)粘花粉。

于是，他找來(lái)一些螞蟻，在螞蟻屁股上沾了點(diǎn)凝膠“膠水”，再把螞蟻放到郁金香的花朵中。

（雖然論文中并沒(méi)有提及，但作者猜測(cè)這些螞蟻可能是英次郎在實(shí)驗(yàn)樓外面的草地抓的，花也是在附近找的）

將膠水涂在螞蟻屁股上，然后將螞蟻放到花朵中 | 參考文獻(xiàn)[1]

經(jīng)過(guò)觀察，這些螞蟻在花中移動(dòng)時(shí)，身上會(huì)附著大量的花粉粒。通過(guò)顯微鏡放大，涂了膠水的螞蟻身上粘的花粉數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了普通螞蟻。

（左）涂了膠水的螞蟻，腹部沾滿了花粉；（右）沒(méi)有涂膠水的螞蟻，幾乎沒(méi)有沾上花粉 | 參考文獻(xiàn)[1]

考慮到了一定有很多關(guān)心螞蟻健康的朋友。英次郎連續(xù)觀察了好幾天“膠水螞蟻”，它們活得好好的，也沒(méi)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方面的問(wèn)題。

總之，屁股上涂了膠水的螞蟻有成為“蜜蜂接班人”的潛力。

當(dāng)然，螞蟻沒(méi)有給花傳粉的責(zé)任。自然界還是講究一個(gè)各司其職，分工配合。為了避免螞蟻肩上的負(fù)擔(dān)過(guò)于沉重，英次郎將目光投向了無(wú)人機(jī)。

無(wú)人機(jī)加馬毛刷子

現(xiàn)在市面上有很多小巧的無(wú)人機(jī)，價(jià)格也不貴。英次郎買了一種大小只有幾厘米的無(wú)人機(jī)。

好嘞，可以在無(wú)人機(jī)上涂膠水了。

因?yàn)闊o(wú)人機(jī)沒(méi)有屁股，所以要給它 加點(diǎn)毛發(fā)，用來(lái)模擬蜜蜂體表的絨毛 。

英次郎搞來(lái)了一些馬鬃毛，準(zhǔn)備粘在無(wú)人機(jī)上。然而，這些馬毛都是雜亂無(wú)章趴著的，毛發(fā)的很多表面利用不上，能沾上的花粉量也有限。

為了讓馬毛立起來(lái)，英次郎在粘著馬毛的基板上施加一定的電壓，由于靜電作用，這些馬毛就一根根地立了起來(lái)，形成垂直排列的毛發(fā)陣列。這和冬天脫毛衣，靜電會(huì)讓頭發(fā)立起來(lái)的道理一樣。

在馬毛陣列上涂上離子液體凝膠“膠水”，馬毛的狀態(tài)也沒(méi)怎么改變。

（左）施加電壓后，馬毛立了起來(lái)；（右）涂上“膠水”馬毛陣列也沒(méi)有倒塌 | 參考文獻(xiàn)[1]

最后，再將這挺立的馬毛墊子貼在無(wú)人機(jī)下面，一只人造蜜蜂就做好了。

當(dāng)無(wú)人機(jī)觸摸花朵時(shí)，涂了膠水的馬毛就能大量地捕獲花粉。

無(wú)人機(jī)+馬毛組成的“人造蜜蜂” | jaist.ac.jp

實(shí)驗(yàn)室的小伙伴們，在不遠(yuǎn)處控制著無(wú)人機(jī)，讓這只“人造蜜蜂”不斷在花朵間盤旋，下落，完成一只授粉工具的職責(zé)。

無(wú)人機(jī)授粉過(guò)程 | CNN

當(dāng)然，這只“人造蜜蜂”也有很多缺點(diǎn)。比如它需要人來(lái)操控，每只人造蜜蜂，需要配備一個(gè)優(yōu)秀的人類無(wú)人機(jī)飛行員。更糟糕的是，雖然無(wú)人機(jī)只有不到4厘米，但它的沖擊還是太猛了，很容易就把花朵打壞了。

開(kāi)飛機(jī)吹泡泡

英次郎的人工授粉陷入停滯。如何克服無(wú)人機(jī)授粉的這些缺點(diǎn)？這些問(wèn)題一時(shí)沒(méi)有好的答案。難道只能等到更精的密無(wú)人機(jī)、更先進(jìn)的控制系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)制造出來(lái)？

他和兒子一起玩泡泡，邊玩邊思考這些問(wèn)題。

看到肥皂泡擊打在兒子的臉上，英次郎再次有了靈感—— 也許泡泡能夠用來(lái)授粉 。

想必英次郎的兒子此時(shí)會(huì)疑惑：不過(guò)是吹個(gè)泡泡，爸爸為什么這么開(kāi)心？

就這樣，英次郎開(kāi)始和同事鼓搗起泡泡了。泡泡中的關(guān)鍵成分是表面活性劑，表面活性劑的種類五花八門，如何找到自己的本命泡泡，需要耐心探索。

他們將花粉和不同的表面活性劑進(jìn)行混合，不斷調(diào)試配比。在這一過(guò)程中，英次郎發(fā)現(xiàn)在泡泡形成時(shí)，表面活性劑會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p層分子，其中頭部朝向水膜，尾部朝向空氣。花粉粒則會(huì)被泡泡溶液擠出，吸附在薄膜表面。

泡泡中表面活性劑形成雙層分子，將花粉推到泡泡膜的表面 | 參考文獻(xiàn)[3]，漢化：圓的方塊

在實(shí)驗(yàn)了多種泡泡配方之后，英次郎團(tuán)隊(duì)選擇了0.4％濃度的椰油酰胺丙基甜菜堿 (lauramidopropyl betaine) 。

這個(gè)配方吹出的泡泡，比較結(jié)實(shí)，環(huán)境危害也較小，按照英次郎的說(shuō)法“你甚至可以喝它”。

他們吹的泡泡，每個(gè)能黏上2000粒花粉。甚至還可以在泡泡溶液里加一些含有硼、鈣鉀的營(yíng)養(yǎng)素，以增強(qiáng)花粉萌發(fā)。更重要的是，泡泡足夠輕巧柔軟，落在花朵上，不會(huì)破壞花蕊。

泡泡落在花蕊上 | 參考文獻(xiàn)[3]

英次郎和助手將花粉泡泡溶液裝滿了氣泡槍。帶著精良的裝備，他們走進(jìn)了一個(gè)果園，向園中的梨花開(kāi)了槍。

泡泡槍可以直接發(fā)射沾有花粉的泡泡 | 參考文獻(xiàn)[3]

實(shí)驗(yàn)中，英次郎他們?cè)诿慷淅婊ㄉ蠂娏?~10個(gè)泡泡。16天后，這些經(jīng)過(guò)泡泡授粉的花，95%都結(jié)出了果實(shí)，這 與傳統(tǒng)手工授粉結(jié)果率相同 。沒(méi)有授粉的對(duì)照組結(jié)果率只有58％ （風(fēng)和昆蟲(chóng)幫忙授了一小部分粉） 。

泡泡授粉法結(jié)出的果子與傳統(tǒng)方法形狀和大小相同 | 參考文獻(xiàn)[3]

經(jīng)過(guò)計(jì)算，泡泡授粉所需要花粉粒要少得多。傳統(tǒng)用小刷子的手工授粉，一次要消耗1747毫克花粉。泡泡法只要兩三個(gè)肥皂泡就能完成一次授粉，每次只要不到0.1毫克的花粉。

英次郎滿意地放下了槍，開(kāi)始打造進(jìn)化版的“人工蜜蜂”。

這次的無(wú)人機(jī)是個(gè)大塊頭，因?yàn)樾枰W著滿滿的泡泡液。助手還改造了一個(gè)自動(dòng)泡泡機(jī)，把它懸掛在GPS控制的無(wú)人機(jī)上。

這臺(tái)頗具氣勢(shì)的飛行器堪稱“授粉界王者”——每分鐘能發(fā)射5000個(gè)花粉泡泡，還能從2米的高度以90％的成功率命中花朵。

無(wú)人機(jī)下面懸掛泡泡發(fā)生器 | 參考文獻(xiàn)[3]

當(dāng)然，即便是授粉王者，也還是有局限。泡泡授粉法在刮風(fēng)下雨天就無(wú)法施展。不過(guò)話又說(shuō)回來(lái)，刮風(fēng)下雨的日子，蜜蜂們似乎也不太努力工作。

小結(jié)

從放在抽屜里10年的樣品，到兒子玩耍時(shí)吹出的泡泡，宮古英次郎的人工授粉之路，還在繼續(xù)。

他向我們展示了科研性與趣味性的結(jié)合，做出了真正的“好玩的科學(xué)”。

最后，讓我們感受下花粉泡泡機(jī)的威力。

泡泡授粉法中無(wú)人機(jī)下懸掛的自動(dòng)泡泡機(jī) | 參考文獻(xiàn)[3]

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作者名片

作者：圓的方塊

編輯：悲催的鉈寶寶

排版：凝音

題圖來(lái)源：參考文獻(xiàn)[3]

參考文獻(xiàn)：

[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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