本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定反映《大眾科學》的觀點。
作者注：這是“奇妙事物”系列的最新文章。您可以在這裡閱讀更多關於該系列的資訊。
植物進化出的更不被賞識和巧妙的機制之一是薄囊蕨（leptosporangiate ferns）的空化彈射器。如果這聽起來既令人興奮又神秘，那是因為它確實如此。
這是一個薄囊蕨孢子囊（leptosporangium），蕨類植物在這裡製造其生殖細胞，稱為孢子。
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“ONF Fig 02 - 水龍骨屬植物的孢子囊”，作者：Lucien Marcus Underwood - 《我們的本土蕨類植物及其盟友》第6版，1900年。根據公共領域許可，透過維基共享資源釋出。
您會注意到這個孢子囊已經被開啟，裡面形成的一些孢子已經掉出來了。還要注意右上角的小條紋環，稱為“環帶”（annulus）。它使孢子囊看起來像戴著羅馬百夫長的帶羽飾頭盔。
這種結構的底部附著在蕨類植物葉片的背面，通常會發現幾十個像這樣的孢子囊聚在一起。以下是這些簇在蕨類植物背面上的樣子
“蕨類植物孢子 P1180804”。根據CC BY-SA 3.0許可，透過維基共享資源釋出。
如果您是植物或真菌等固定不動的生物，那麼以儘可能快速有效的方式排出後代對您來說是最有利的。對於具有薄囊孢子囊的蕨類植物來說，這意味著像投向最近的十字軍城堡的巨石一樣發射孢子。看看就知道了
這段影片的敘述者，也是2012年發表在《科學》雜誌上的一項研究的合著者，該研究描述了相同的發現，他提到彈射器是由一種稱為空化（cavitation）的現象發射的，這值得進一步解釋。當液體中由於壓力變化而自發形成氣泡時，這就是空化。如果您像我一樣看過很多潛艇電影，您就會知道空化是一件壞事，因為空化的螺旋槳會發出噪音，從而暴露您對蘇聯人的位置。這是因為螺旋槳葉片的快速運動會在其邊緣產生非常低的水壓，從而在設計不良的螺旋槳或驅動不良或過快的螺旋槳中產生空化氣泡。一旦低壓區過去，這些氣泡就會在經歷正常的海洋壓力後破裂。破裂流產生嘈雜的衝擊波，可以被被動聲納接收到。
在植物中，當植物口渴但無水可飲時，水壓通常會達到可能引起空化的低水平。在枯萎或遭受乾旱脅迫而無法從土壤中吸收更多水分的植物中，這可能會導致大問題。當植物輸水導管細胞內的水壓達到臨界低水平時，它們會發生空化，在細胞中形成氣泡，從而阻礙液體的進一步流動。樹木內部的空化可能非常嘈雜，以至於在炎熱乾燥的日子裡，您可以用麥克風聽到它。
在薄囊孢子囊環帶的脊狀隔間中，透過環之間薄而透明的壁的蒸發也會產生有利於空化的低壓環境。但是，由於蕨類植物的薄囊孢子囊是一次性裝置，因此這裡的空化不僅沒有破壞性，而且是理想且必不可少的。當氣泡突然產生時，環帶會像弓箭手鬆開的弓弦一樣突然放鬆，提供將孢子帶到相鄰郵政編碼區域所需的爆發加速度。
但是，如果沒有某種方法在擺動中途停止環帶的運動，孢子就會被環帶猛烈撞擊到孢子囊的底部。敘述者指出，每個像樣的中世紀彈射器都包含一個橫杆，用於停止臂杆併發射有效載荷。毫無疑問，您已經注意到蕨類植物的薄囊孢子囊缺少這樣的裝置。那麼是什麼阻止了環帶的反彈呢？
答案是粘度（viscosity）。該論文使用一種不太為人所知的關係，稱為“達西定律”（Darcy's Law）來解釋這種效應。環帶的壁特別厚且呈海綿狀。當環帶彈回時，水在壁中移動會受到很大的粘滯阻力（viscous drag）。這種阻力是由靠近壁（慢）和遠離壁（快）的水的移動速度差異產生的，這會在以不同速度移動的水分子中引起內摩擦。
由於環帶的纖維素中有許多微小的孔隙（因此具有更大的壁表面積），因此粘滯阻力很大，從而消散了反彈的能量並阻止了彈射器臂的運動。孢子在運動中沒有遇到類似的阻力，繼續飛向遙遠的遠方，如果幸運的話，會落在肥沃且沒有蕨類植物的地面上。
我將為您留下一個以發射蕨類植物孢子囊為主題的音樂影片，以便您可以進一步觀察這種引人入勝的現象。在我看來，這有點像蕨類植物在與自己進行孢子雪球大戰。請注意，當孢子球飛過時，從孢子球上掉落的散落孢子會粘附在植物和孢子囊的覆蓋物上。這是一種美好、乾淨、有點混亂的植物學樂趣。
參考文獻
Noblin X.，J. Westbrook，C. Llorens，M. Argentina & J. Dumais (2012)。蕨類植物孢子囊：獨特的彈射器，《科學》，335 (6074) 1322-1322。DOI：http://dx.doi.org/10.1126/science.1215985