为了给花传粉,科学家能有多拼

作者: 圆的方块

来源: 我是科学家iScientist

发布日期: 2020-11-15

宫古英次郎通过开发特殊凝胶和利用泡泡技术,创新了人工授粉方法,解决了传统授粉方法成本高和效率低的问题。

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。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。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。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。

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。

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。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。

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。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。

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。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。

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。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)。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。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。

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”。

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