นักวิทยาศาสตร์เผยความลับว่าเมล็ดแดนดิไลออนสามารถบินเป็นระยะทางไกลได้อย่างไร

(ภาพจาก http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2018/10/18/dandelion-seeds-fly/)

ในการ์ตูนญี่ปุ่นเรื่องโดราเอมอน มีตอนหนึ่งชื่อว่า Go to Dandelion Sky โนบิตะปลูกต้นแดนดิไลออน (Dandelion) ไว้แต่ไม่ค่อยสนใจมันเท่าไร โดราเอมอนจึงให้แว่นวิเศษแก่โนบิตะ เมื่อสวมแว่นนี้จะได้ยินเสียงของต้นไม้ต่าง ๆ เช่นต้นไม้บางต้นไม่ได้ถูกรดน้ำก็จะร้องส่งเสียงอยากได้น้ำ โนบิตะจึงใส่ใจในการดูแลต้นไม้มากขึ้น ฉากสุดท้ายมีเมล็ดแดนดิไลออนอยู่ 1 เมล็ดที่ไม่อยากจากแม่ไป แต่สุดท้ายก็บินไปพร้อมกับสายลมโดยมีโนบิตะใช้คอปเตอร์ไม้ไผ่บินตามไปส่งและบอกลากัน 


เมล็ดแดนดิไลออนสามารถบินไปได้ไกลมาก บางครั้งไปได้ระยะทางถึง 1 กิโลเมตร หรือมากกว่า แต่นักวิทยาศาสตร์ยังสงสัยถึงเหตุผลเบื้องหลังว่าทำไมมันถึงบินไปได้ไกลแบบนั้นทั้งที่ไม่ได้มีแรงผลักจากเครื่องยนต์ไอพ่นหรือใบพัดเหมือนในเครื่องบิน ในการศึกษาล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร NATURE เดือนตุลาคม ปี ค.ศ. 2018 ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเอดินบะระได้ทำการทดลองเพื่อทำความเข้าใจและค้นพบคำอธิบายแล้วว่าทำไมเมล็ดแดนดิไลออนสามารถบินไปได้ไกลทั้งที่โครงสร้างแบบร่มของมันนั้นส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ว่าง


พืชจำเป็นต้องมีการแพร่กระจายของเมล็ดเพื่อให้ดำรงพันธุ์อยู่ต่อไปได้ พืชบางชนิดอาศัยคนหรือสัตว์มาช่วยในการแพร่กระจายเมล็ด แต่บางชนิดก็ใช้เพียงแค่ลมและรูปร่างของเมล็ดพันธุ์เท่านั้น โดยที่ไม่มีเครื่องยนต์หรือแหล่งพลังงานในตัวมันมาเป็นแรงขับเคลื่อนเลย การวิวัฒนาการมาอย่างยาวนานทำให้พืชมีการพัฒนารูปทรงของเมล็ดเพื่อให้สามารถบินไปได้ระยะทางไกลสูงสุด บางครั้งเมล็ดแดนดิไลออนอาศัยแค่ลมพัดเบา ๆ ก็สามารถบินได้ระยะทางไกลกว่า 1 กิโลเมตร หรือมากกว่า
มันเป็นปริศนามานานแต่ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์พบเหตุผลที่อยู่เบื้องหลังแล้ว และอาจนำมาประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีการบินของมนุษย์ต่อไปก็เป็นได้


เมล็ดแดนดิไลออนนั้นมีลักษณะคล้ายร่มโดยที่บริเวณด้านบนประกอบด้วยก้านสีขาวเล็ก ๆ ยาว ๆ จำนวนมาก ในทางพฤกษศาสตร์ นี่เรียกว่าขนแข็ง (bristle)  หรือ แพปพัส (pappus) ดร.นาโอมิ นากายาม่า จากมหาวิทยาลัยเอดินบะระซึ่งเป็นหนึ่งในทีมนักวิจัยเล่าว่า พวกเขาศึกษาลักษณะการเคลื่อนที่ของอากาศรอบเมล็ดขณะบิน โดยนำเมล็ดแดนดิไลออนไปไว้ในอุโมงค์ลมแนวดิ่งและเมื่อปล่อยอากาศเข้าไปทำให้เกิดเป็นลมพัดในทิศขึ้น เมล็ดแดนดิไลออนลอยก็ตัวขึ้น ด้วยเทคนิคการถ่ายภาพแบบใหม่โดยการฉายแสงเลเซอร์ผ่านเข้าไปในอากาศบริเวณรอบ ๆ เมล็ดแดนดิไลออนและใช้กล้องถ่ายภาพความเร็วสูง นักวิจัยสามารถบันทึกและวิเคราะห์ออกมาเป็นภาพการเคลื่อนที่ของอากาศได้ ในที่สุดทีมนักวิจัยก็พบว่าที่ด้านบนของแพปพัส อากาศเคลื่อนที่ในลักษณะแบบวงแหวนกระแสวน (vortex ring) ที่ด้านบนเหนือแพปพัสอยู่ตลอดเวลาที่มันลอยตัวอยู่ในกระแสลม

(ภาพจาก https://www.nature.com/articles/s41586-018-0604-2)

จากการทดลองพบว่าขนในแพปพัสแต่ละเส้นเมื่อรวมกันมาก ๆ แล้วจะเป็นตัวขัดขวางกระแสลมที่พัดผ่านทำให้เกิดเป็นวงแหวนกระแสวนที่ด้านบนเหนือแพปพัส และดูเหมือนว่าระยะห่างระหว่างเส้นขนในแพปพัสจะถูกปรับมาจนสมบูรณ์เพื่อสร้างวงแหวนกระแสวนที่เหมาะสมที่สุด เมื่ออากาศเคลื่อนที่จากด้านล่างขึ้นไปผ่านแพปพัสก็จะไหลไปตามขอบวงแหวนแล้วหมุนวนลงมาตรงกลางวงแหวนและกลับลงมาที่ด้านล่างเหนือแพปพัส จากนั้นก็วนกลับขึ้นไปใหม่แล้วก็เคลื่อนที่วนแบบเดิมซ้ำอีก การเคลื่อนที่เป็นวงแหวนกระแสวนเช่นนี้ก่อให้เกิดบริเวณที่อากาศมีความดันต่ำบริเวณเหนือแพปพัส ส่งผลให้เมล็ดแดนดิไลออนลอยตัวอยู่ได้ตลอดขณะอยู่ในกระแสลม


จานทรงตันสามารถสร้างวงแหวนกระแสวนได้แต่มวลของจานจะหนักกว่าเมล็ดแดนดิไลออนมาก
(ภาพจาก https://www.nature.com/articles/s41586-018-0604-2)

จากการทดลอง ถ้าลองเปลี่ยนจากเมล็ดแดนดิไลออนเป็นจานทรงตัน (solid disk) ก็สามารถขัดขวางกระแสลมและเกิดเป็นวงแหวนกระแสวนที่ด้านบนเหนือตัวจานได้เช่นกัน แต่จานทรงตันมีมวลมากกว่ามาก จึงไม่สามารถยกตัวขึ้นบินได้แบบเมล็ดแดนดิไลออน ดังนั้นธรรมชาติจึงน่าจะสร้างให้เมล็ดแดนดิไลออนมีรูปทรงเป็นแบบที่เราเห็นกันเพราะมีมวลน้อยและสร้างวงแหวนกระแสวนได้ จึงทำให้สามารถบินขึ้นและเคลื่อนที่ตามลมไปได้ไกล


วงแหวนกระแสวนที่เมล็ดแดนดิไลออนสร้างขึ้นนั้นให้แรงต้านลมต่อหน่วยพื้นที่ (drag per unit area) เป็น 4 เท่าของจานทรงตัน  ดังนั้นมันจึงเป็นร่มที่มีประสิทธิภาพสูงมาก และทำให้เมล็ดบินสูงขึ้นไป นอกจากนี้วงแหวนกระแสวนยังช่วยให้เมล็ดนั้นตั้งตรง เพิ่มโอกาสให้เมล็ดงอกได้สูงสุดเมื่อตกลงสู่พื้น


แดนดิไลออนมีชื่อทางวิทยาศาสตร์ว่า Taraxacum officinale โดยเมล็ดแดนดิไลออนส่วนมากจะตกในระยะ 2 เมตร จากต้นของมัน แต่ถ้าลมเหมาะสมและสภาพอากาศอบอุ่นและแห้ง เมล็ดสามารถไปได้ไกลกว่านั้นมาก เมล็ดจากสมาชิกของวงศ์ Asteraceae   ซึ่งเป็นวงศ์ของแดนดิไลออน บางเมล็ดสามารถไปได้ไกลถึง 150 กิโลเมตร และการที่เมล็ดไปได้ไกล 30 กิโลเมตรนั้นนับว่าเป็นเรื่องปรกติ ซึ่งถือว่าเป็นระยะทางที่ไกลมากเพราะ มันไม่มีเครื่องยนต์หรือแหล่งพลังงานในตัวมันมาเป็นแรงขับเคลื่อนเลย


ในการ์ตูนเรื่องโดราเอมอน คอปเตอร์ไม้ไผ่อาจจะบินได้เพราะจินตนาการของผู้เขียน แต่เมล็ดแดนดิไลออนบินได้แน่นอนและเราก็รู้แล้วว่าเพราะอะไร งานวิจัยครั้งนี้นอกจากจะทำให้เราเข้าใจกลไกและหลักการทำงานของธรรมชาติมากขึ้นแล้ว มันอาจจะช่วยให้มนุษย์สามารถเลียนแบบธรรมชาติ เรียนรู้จากหลักการทำงานดังกล่าวเพื่อนำมาสร้างประโยชน์ ประยุกต์ใช้กับสิ่งประดิษฐ์ของมนุษย์ในวันข้างหน้าก็ได้ 

 

เรียบเรียงโดย

ณัฐพล โชติศรีศุภรัตน์
ภาควิชาฟิสิกส์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ

• [1] https://www.nature.com/articles/d41586-018-07084-8
• [2] https://www.nature.com/articles/s41586-018-0604-2
• [3] https://www.iflscience.com/physics/dandelion-seeds-reveal-a-new-form-of-aerodynamics/
• [4] https://eurekalert.org/pub_releases/2018-10/uoe-dsr101618.php
• [5] http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2018/10/18/dandelion-seeds-fly/