Vynaliezavé šišky

Borovicové šišky sa otvárajú a zatvárajú podľa počasia.

Borovice sa správajú ako každý správny rodič, ktorý sa snaží pomôcť svojim deťom uspieť v živote. Jedným zo spôsobov je dať každému semenu (ukrytému vo vnútri) krídlo, ktoré mu umožňuje cestovať na veľké vzdialenosti od materského stromu. Pre semená je výhodné dostať sa čo najďalej od materského stromu, aby nemusel súťažiť o živiny a slnečné svetlo. Je potrebné, aby sa semená uvoľnili zo šišky, aby leteli v správnom čase - semená už musia byť zrelé a nesmie byť ani daždivo, pretože suché semená lietajú vo vetre ďalej, ako keď sú mokré a ťažké. Borovice dokázali tento problém spoľahlivo a elegantne vyriešiť. Poďme sa na to pozrieť!

Táto aktivita sa začína so zavretými šiškami. Možno ich nájdete v miestnom lese. Ak sú otvorené, vložte ich do misky s vodou aspoň dve hodiny vopred, aby sa zatvorili.

1. Pripravíme si niekoľko zatvorených (resp. vopred namočených) borovicových šišiek a fén alebo čokoľvek, čo pomôže urýchliť sušenie našich šišiek.
2. Spoločne so žiakmi začneme pripravené šišky vysúšať. Vysúšanie – otváranie šišky - môže trvať celkom dlhú dobu, aj niekoľko desiatok minút (podľa intenzity sušenia). Preto je dobré striedať napríklad kúrenie (nie je potrebné pri tom byť) a fén a počas čakania realizovať iný program (napr. nejaký ďalší príklad biomimikry).
3. Pozorujeme postupné otváranie šupín šišiek a výskyt semienok v štrbinách medzi šupinami.
4. Vezmeme šišky, ktoré ešte obsahujú dostatok semienok a každého žiaka necháme, aby si opatrne zobral jedno okrídlené semienko. To si najprv prezrieme, a potom spoločne môžeme vyraziť na dostatočne vyvýšené miesto, odkiaľ každý vypustí svoje semienko a sleduje jeho let. Potom vezmeme niekoľko vopred namočených semien a so žiakmi sledujeme, či je nejaký rozdiel v ich lete oproti suchým semienkam.

Ďalšie možnosti:

Umiestnite zatvorené šišky na rôzne miesta: na radiátor, do tmy, na vonkajší parapet. Sledujte rozdiely v rýchlosti otvárania šišiek.

Pokiaľ nemáte čas sledovať postupné otváranie, môžete pozorovať zatváranie otvorenej šišky. Jednoducho vložíte otvorenú šišku do pohára vody. Uzavretie by malo trvať okolo dvoch hodín.

Ako sa stromom darí cielene otvárať a zatvárať šišky, aby uvoľnili semená v správnom momente, keď šišky neobsahujú svaly ani nervy a v dospelosti sú tvorené odumretými bunkami?

Keď je šiška mokrá, jej šupiny sú ohnuté smerom k jej špičke a tým sú štrbiny za semienkami uzavreté. Keď šiška vysychá, jej šupiny sa postupne narovnávajú, a šiška tak otvára svoje štrbiny so semienkami. Semienka sú tak vo vnútri šišky chránené až do suchého dňa, kedy je najvýhodnejšie, aby zo šišky začali vylietavať.

Podrobnejšie vysvetlenie

Trik spočíva v tom, ako sú jednotlivé šupiny na šiške vytvárané (obr.1). Každá šupina je totiž tvorená z dvoch odlišných vrstiev, ktoré sa od seba líšia schopnosťou absorbovať vodu. Jedna vrstva šupiny absorbuje vodu ľahšie, a tým viac napučí. Naopak druhá vrstva napučí oveľa menej. Tieto vrstvy sú spolu pevne spojené. Pri daždi tak dochádza k tomu, že tá viac nasiakavá vrstva šupiny sa viac predlžuje, a tým ohýba tú druhú vrstvu (obr.1). Po vysušení napätie medzi nimi zmizne a šiška sa otvorí.

Rovnaký princíp zmeny tvaru podľa meniacich sa podmienok prostredia je možné využiť napr. pri páske z dvoch vrstiev kovov s rôznou tepelnou rozťažnosťou. Tzv. bimetalová páska sa ohýba podľa meniacej sa teploty. Na tomto princípe môže fungovať napríklad bimetalový vlhkomer či indikátor termostatu – to je zariadenie, ktoré napr. zapína/vypína kúrenie v závislosti od teploty v miestnosti.

Rozšírenie

Každý žiak dostane pásik papiera, na ktorý po celej dĺžke nalepí lepiacu pásku. Potom ho namočí a pozoruje, ako mení tvar (obr. 2). Ktorá vrstva je menej nasiakavá a ktorá viac? Ako by bol testovací pásik orientovaný na šiške?

Dnes vieme vyrobiť veľa vecí, ktoré automaticky reagujú na meniace sa podmienky, napríklad svetlo, ktoré sa rozsvieti iba vtedy, keď je tma. Väčšina takýchto vynálezov však vyžaduje zložité senzory, ktoré na svoju činnosť potrebujú neustály prísun energie. Pri šiškách je celý proces otvárania a zatvárania automatický a nepotrebuje žiadne zásobovanie energiou ani systematické riadenie.

Namiesto toho materiálový dizajn borovicovej šišky interaguje s prostredím, aby urobil všetko, čo potrebuje. To by mohlo byť skvelou inšpiráciou pre inžinierov pri navrhovaní mechanizmov, ktoré sa môžu pohybovať a/alebo meniť tvar bez potreby vstupu energie. Takéto inovácie môžu vďaka svojej efektívnosti a jednoduchosti ušetriť energiu alebo iné zdroje, čo môže byť veľkou úľavou pre životné prostredie.

Predstavte si nové stavebné materiály, ktoré môžu reagovať na meniacu sa vlhkosť. V suchom a teplom poludňajšom vzduchu sa môžu napríklad samonastavovacie žalúzie ohnúť, aby vytvorili tieň a udržali chlad v domoch. V noci a cez vlhké skoré rána by sa uvoľnili a znova sa otvorili. Ďalšie možné využitie je v solárnych paneloch, ktoré sledujú slnko pomocou bimetalických pásikov.

Ďalšou vynikajúcou aplikáciou, ktorá sa už používa, je oblečenie, ktoré mení svoju priepustnosť pre prúdenie vzduchu v závislosti od vlhkosti. Za mokra sa priepustnosť látky zvyšuje a po vysušení sa zase uzatvára How Pine Cones Open and Close (case study).

Možné prepojenia na vzdelávací prístup STEAM:

• Biológia: Štúdium adaptácie rastlín v reakcii na životné prostredie. Analyzovanie výhod a nevýhod rôznych adaptácií.
• Fyzika a matematika: Analýza materiálového správania šišiek v rôznych podmienkach (vlhkosť, teplota) otvára priestor pre fyzikálne vysvetlenie mechanizmu, ako sa mení tvar materiálu v reakcii na tieto faktory. Použitie logického uvažovania na vysvetlenie, ako fungujú jednoduché algoritmy.
• Inžinierstvo: navrhovanie materiálov, ktoré sa môžu samočinne prispôsobiť meniacim sa podmienkam prostredia, či už v stavebníctve alebo pri vývoji nových technológií.
• Technológia: Vývoj technológií, ako sú samoregulujúce sa žalúzie alebo oblečenie s variabilnou priepustnosťou vzduchu.
• Udržateľnosť, ekológia: Používanie menšieho množstva materiálu a efektívny dizajn prispievajú k udržateľnosti.
• Vytváranie hypotéz a ich overovanie jednoduchými pokusmi a pozorovaniami.
• Vyhľadávanie, interpretácia a použitie vedeckých dôkazov na zodpovedanie otázok.

• Kedy ľudia menia svoje správanie na základe podmienok okolo nás? (napr. otvorenie dáždnika, keď prší).
• Príroda vie veľmi dobre reagovať na meniace sa situácie. Čo sa stane, keď ignorujeme okolie a neprispôsobujeme svoje správanie okolitým podmienkam? (príklady u jednotlivcov aj u celej spoločnosti).
• Sú aj iné stratégie živých organizmov, ako chrániť svoje potomstvo a ako potomkov "pustiť do sveta" v ideálny čas?

Zistite viac o tom, ako sa šišky otvárajú a zatvárajú v závislosti od počasia Pine Cones Open and Close in Response to Weather

Vyskúšajte túto podrobnejšiu aktivitu na meranie vplyvu vlhkosti a teploty na šišky Pine Cones - an Activity