Helikopterfrøene fra det tropiske treet Dipterocarpus alatus har imponerende vinger som gjør at frøene kan fraktes langt med vinden.
(Illustrasjonsfoto: Colourbox)
Helikopterfrøene fra det tropiske treet Dipterocarpus alatus har imponerende vinger som gjør at frøene kan fraktes langt med vinden. (Illustrasjonsfoto: Colourbox)

3D-printing forklarer hvordan helikopterfrø flyr

Frøene kan fraktes med vinden over lange avstander. Forskere har nå undersøkt frukter og frø fra 27 ulike tresorter og funnet ut at de fleste har vinger med omtrent den samme geometrien.

Publisert

Matematikeren Andreas Carlson fikk ideen til et originalt prosjekt da han var på forskerkonferanse i Vietnam, samtidig med at de store, tropiske trærne i slekten Dipterocarpus slapp sine store, frøbærende frukter.

Disse modne fruktene er utstyrt med krumme vinger som bremser fallhastigheten og fører til at fruktene spinner som et helikopter. Det innebærer at frukten med frøene kan bli fraktet sidelengs med vinden over forbløffende store avstander.

Carlson ble fascinert av at naturen har utviklet et helikopter-prinsipp mange millioner år før vi mennesker klarte å kopiere bragden.

Siden Carlson er ekspert på fluid-mekanikk, det vil si fysikken til bevegelsen av gasser og væsker, var ikke veien lang til et forskningsprosjekt.

Frøene begeistret også Attenborough

Andreas Carlson er ikke den første som har latt seg fascinere av de naturlige helikopterfrøene og -fruktene. Han er i godt selskap med blant annet BBC-legenden David Attenborough.

I et klipp fra BBC-serien The Private Life of Plants hevder Attenborough at naturen har funnet en nær perfekt balanse mellom fruktenes størrelse og vingenes utforming; en liten endring ville ført til at frøet falt rett ned istedenfor å seile av gårde med vinden.

Carlsons forskning tyder på at Attenborough har delvis rett i sin påstand.

Forskerne Jean Rabault (t.v.), Andreas Carlson og Richard Andre Fauli inspiserer noen av de kunstige frøene som ble produsert i 3D-printeren. (Foto: Bjarne Røsjø)
Forskerne Jean Rabault (t.v.), Andreas Carlson og Richard Andre Fauli inspiserer noen av de kunstige frøene som ble produsert i 3D-printeren. (Foto: Bjarne Røsjø)

Nå har Carlson og forskerkollegene Jean Rabault og Richard A. Fauli ved Matematisk institutt nemlig undersøkt helikopterfrø fra intet mindre enn 27 ulike tresorter fra både Afrika, Asia, Nord- og Sør-Amerika, og funnet påfallende likheter.

– Både fruktene og vingene varierte ganske mye i størrelse. De største frøene var på størrelse med en valnøtt og hadde et vingespenn på opptil 20 centimeter, mens andre var mye mindre, forteller Carlson.

– Men det som var felles, var at vingene hadde omtrent den samme krumningen. De naturlige frøenes vinger har en nær optimal foldingsvinkel eller krumning.

Har naturen perfeksjonert helikopterfunksjonen?

De tre matematikerne har også brukt en 3D-printer til å lage en serie kunstige frukter av plast, med varierende kurvatur og geometri på sine vinger.

Da viste det seg at vingene på de kunstige fruktene som falt saktest, og derfor ville fly lengst hvis de ble tatt av vinden, lignet på geometrien til de naturlige variantene.

Betyr det at naturen har funnet fram til den optimale utformingen av helikopterfrø som skal fly lengst mulig med vinden?

– Både ja og nei, svarer Carlson.

– Det er jo en grunn til at menneske-konstruerte helikoptre har rette rotorblader, for da flyr de mest effektivt. Men trærne har flere begrensninger i sin utvikling, der vingene har flere andre funksjoner, og naturen klarer trolig ikke å lage helt flate vinger. Derfor nøyer vi oss isteden med å si at naturen antakelig har funnet en nær optimal løsning ut fra de mulighetene som er tilgjengelige, svarer Carlson.

De beste kunstig fremstilte helikopterfruktene, som kan inneholde mange frø, hadde en vinge-geometri som liknet på de naturlige fruktene. (Foto: Andreas Carlson, UiO)
De beste kunstig fremstilte helikopterfruktene, som kan inneholde mange frø, hadde en vinge-geometri som liknet på de naturlige fruktene. (Foto: Andreas Carlson, UiO)

Mange av de 27 frøene kom fra planteslekten Dipterocarpaceae, som ikke har noe norsk navn, men omfatter mange tropiske trær som kan bli opptil 70 meter høye.

Det finnes ingen norske planter med rene helikopterfrø, men løvtreet lind (Tilia cordata) har et frø med en krummet vinge som gjør at det roterer når det faller mot bakken.

Helikopterfrø reiser langt

Det biologiske poenget med frukter og frø som er «blowing in the wind» er tilsynelatende åpenbar: Trær som Dipterocarpus kan bli både store, høye og gamle – og det betyr at en frukt eller et frø som faller rett ned, vil lande i skyggen av det voksne treet og gå til grunne.

Men et frø som kommer seg langt nok vekk før det lander, kan håpe på å ha funnet et sted hvor det er nok sollys og næring til at det kan spire og vokse til et nytt tre.

Trærne med helikopterfrø har med andre ord en annen spredningsstrategi enn for eksempel eplene, som ikke faller langt fra stammen, men isteden blir spist og får frøene spredd på den måten.

Resultat av naturlig seleksjon?

Men: Er det virkelig den naturlige seleksjonen som har vært på ferde, slik at trær med frø som har gode flygeegenskaper formerer seg bedre enn trær med frø som ikke kommer like langt av gårde?

– Det er vanskelig å bevise hvilken rolle evolusjonen har hatt i utviklingen av disse frøene, siden utviklingen må ha strukket seg over en så lang tidsskala. I tillegg er vi jo matematikere, og ikke trent som biologer. Dessuten vokser noen av de trærne vi har undersøkt i så tett, tropisk regnskog at frøene ikke vil komme langt vekk uansett hvor godt de roterer og flyr. De vil i stedet bare kollidere med nabo-treet, antyder Carlson.

– Dessuten er det mange andre parametere enn vingenes krumming som avgjør hvor langt slike frø sprer seg i naturen. Det kan hende at for eksempel mus, ekorn, fugler eller andre dyr plukker opp frøene og frakter dem enda lenger bort, tilføyer han. Men at alle frøene har vinger med en lik krumning, tyder uansett på at flygeegenskapene er en blant flere viktige faktorer.

Kunnskap for naturvernere

De tre matematikerne har nå undersøkt og beskrevet geometrien og fluid-mekanikken bak helikopterfrøene, og hvordan vingenes geometri påvirker flygeegenskapene.

Carlson ser for seg at den nye kunnskapen kan brukes for å beskytte truede tresorter.

– Mange plantearter, ikke minst i tropene, er truet av både klimaendringer, hugst og nydyrking av store arealer. De som er opptatt av å bevare artsmangfoldet i naturen, har utviklet modeller for det som kalles dispersjon, altså plantenes evne til å spre frøene sine over varierende avstander. Resultatene fra vårt prosjekt bør kunne brukes til å utvikle bedre modeller for frøspredningen og bedre strategier for å verne disse artene, håper Carlson.

Det var for øvrig ingen enkel sak å samle frø fra tilstrekkelig mange tropiske trær og studere vingenes geometri, for botanikere har jo for vane å flatpresse planter og plantedeler før de havner i herbariet.

Forskerne James Schmidt og Jaboury Ghazoul fra forskningsinstituttet ETH Zürich hadde heldigvis også tatt bilder av mange slike frø, som de stilte til disposisjon. Dermed kunne UiO-forskerne beregne vinkler og geometriske parametere ut fra bildene.

Referanse:

Jean Rabault, Richard A. Fauli, Andreas Carlson: Curving to fly: Synthetic adaptation unveils optimal flight performance of whirling fruits. Physical Review Letters. (2019)