Vynalézavé šišky

Borové šišky se podle potřeby otevírají a zavírají, aniž by k tomu musely vynaložit sebemenší námahu.

Borovice se chovají jako každý správný rodič, který se snaží pomoci svým dětem, aby se jim v životě dobře dařilo. Jedním ze způsobů, jak s tím mohou svým potomkům pomoci, je dát každému semenu (ukrytému v šišce) křídlo, které mu umožní cestovat na velké vzdálenosti od své maminky (jeho mateřského stromu). Pro semena je totiž výhodné dostat se co nejdále od mateřského stromu, aby se ním nemusela dělit o živiny a sluneční záření. Je ale potřeba, aby semena ze šišky vylétaly ve správnou dobu: kromě toho, že už musí být zralá, nemělo by být ani deštivo, protože suchá semena létají ve větru dále, než kdyby byla mokrá a těžká. Borovice dokázaly tento problém spolehlivě a elegantně vyřešit. Pojďme to nyní vyzkoušet!

1. Připravíme si několik předem namočených borových šišek (proto uzavřených, namáčíme ca 2 hodiny předem) a případně také fén nebo cokoli, co pomůže urychlit sušení našich šišek.
2. Společně s žáky začneme připravené šišky vysoušet, například pomocí fénu. Vysoušení – otevírání šišky může trvat docela dlouhou dobu – několik desítek minut (podle intenzity sušení), proto je dobré střídat například topení (není potřeba u toho být) a fén a do tohoto mezičasu si připravit další program (např. nějaký další příklad biomimiker).
3. Pozorujeme postupné otevírání šupin šišek a výskyt semínek ve štěrbinách mezi šupinami.
4. Vezmeme šišky, které ještě obsahují dostatek semínek a každého žáka necháme, aby si opatrně vzal jedno okřídlené semínko. To si nejprve prohlídneme, a pak společně můžeme vyrazit na dostatečně vyvýšené místo, odkud každý vypustí své semínko a sleduje jeho let. Poté vezmeme několik předem namočených semen a s žáky sledujeme, zda je nějaký rozdíl v jejich letu oproti suchým semínkům.

Další možnost:

Umístěte zavřené šišky na různá místa: na topení, do tmy, na venkovní parapet. Sledujte rozdíly v rychlosti otevírání šišek.

Pokud nemáte čas sledovat postupné otevírání, můžete pozorovat zavírání otevřené šišky. Jednoduše vložíte otevřenou šišku do sklenice vody. Uzavření by mělo trvat kolem dvou hodin.

Jak se daří stromům cíleně otevírat a zavírat své šišky, aby uvolnila semena ve správnou chvíli, když šišky neobsahují žádné svaly ani nervy a jsou dokonce v dospělosti tvořeny odumřelými buňkami?

Jednoduché vysvětlení

Když je šiška vlhká, její šupiny jsou ohnuté směrem k její špičce, a tím jsou štěrbiny se semínky uzavřené. Když šiška vysychá, její šupiny se postupně narovnávají, a šiška tak otevírá své štěrbiny se semínky. Semínka jsou tak uvnitř šišky chráněna až do suchého dne, kdy je nejvýhodnější, aby ze šišky začala vylétávat.

Podrobnější vysvětlení

Trik spočívá v tom, jak jsou jednotlivé šupiny na šišce vytvářeny (obr.1). Každá šupina je totiž tvořena ze dvou odlišných vrstev, které se od sebe liší schopností absorbovat vodu. Jedna vrstva šupiny absorbuje vodu snadněji, a tím více bobtná. Naopak druhá vrstva bobtná mnohem méně. Tyto vrstvy jsou spolu pevně spojeny. Při dešti tak dochází k tomu, že ta více nasákavá vrstva šupiny se více prodlužuje, a tím ohýbá tu druhou vrstvu (obr.1). Po vysušení napětí mezi nimi zmizí a šiška se otevře.

Stejný princip změny tvaru podle měnících se podmínek prostředí lze využít např. u pásky ze dvou vrstev kovů s různou tepelnou roztažností. Taková tzv. bimetalová páska se ohýbá podle měnící se teploty. Na tomto principu může fungovat třeba indikátor termostatu – to je zařízení, které např. zapíná/vypíná topení v závislosti na teplotě v místnosti.

Navazující aktivita

Každý žák dostane proužek papíru, na který po celé délce nalepí lepicí pásku. Poté jej namočí a pozoruje, jak mění tvar (viz obr.níže). Která vrstva je méně nasákavá a která více? Jak by byl testovací proužek orientován na šišce, aby fungoval stejně jako její šupina?

Lidé dnes dokážou vyrobit spoustu věcí, které umí automaticky reagovat na měnící se podmínky – například světlo, které se rozsvítí, jen když je tma. Většina takových vynálezů však vyžaduje složité senzory, které ke svému provozu potřebují neustálý přísun energie. U šišek je celý proces jejich otevírání a zavírání spontánní a nevyžaduje žádné zásobování energií ani systematické řízení, a přitom funguje naprosto spolehlivě. To může být skvělou inspirací pro inženýry při navrhování mechanismů, které se mohou pohybovat a/nebo měnit tvar, aniž by potřebovaly energii. Takové zlepšováky mohou díky své účinnosti a jednoduchosti ušetřit velké množství energie nebo jiných zdrojů, což může být velkou úlevou pro naše životní prostředí.

Představte si například nové stavební materiály, které by reagovaly na měnící se vlhkost. V suchém, teplém poledním vzduchu by se například automatické žaluzie nahnuly tak, aby vytvořily stín a ochránily dům před přehřátím. V noci a přes vlhká časná rána by se zase sami otevřely. Další možné použití je třeba u solárních panelů, které se mohou sami natáčet za sluncem pomocí bimetalických pásků.

Další vynikající aplikace, která se již používá, je v oblečení, které v závislosti na vlhkosti mění svou propustnost pro proudění vzduchu - za mokra se prodyšnost zvyšuje a po vyschnutí se zase uzavírá (více viz zde: https://www.stem.org.uk/resources/elibrary/resource/426805/veronika-kapsali-case-study).

Možnosti propojení s výukou:

• Kladení otázek a pozorování.
• Provedení jednoduchého pokusu.
• Making predictions.
• Using scientific evidence to answer a question.
• Apply learning to real world problems.
• Observing and raising questions about how different species adapt.
• Analyse advantage and disadvantage of different adaptations/behaviours.

Kdy lidé mění své chování na základě podmínek kolem nás? (např. otevření deštníku, když prší; zvednutí ruky, když učitel položí otázku).

Příroda umí velmi dobře reagovat na měnící se situace. Co se stane, když ignorujeme okolí a nepřizpůsobujeme své chování okolním podmínkám? (příklady u jedinců i u celé společnosti)

Přečtěte si více o tom jak se borové šišky otevírají a zavírají podle počasí (find out more).

Zkuste tuto podrobnější aktivitu ke změření vlivu vlhkosti a teploty na borovou šišku (find out more).