本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
作者注：这是“奇妙事物”系列的最新文章。您可以在这里阅读更多关于该系列的信息。
植物进化出的更不被赏识和巧妙的机制之一是薄囊蕨（leptosporangiate ferns）的空化弹射器。如果这听起来既令人兴奋又神秘，那是因为它确实如此。
这是一个薄囊蕨孢子囊（leptosporangium），蕨类植物在这里制造其生殖细胞，称为孢子。
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“ONF Fig 02 - 水龙骨属植物的孢子囊”，作者：Lucien Marcus Underwood - 《我们的本土蕨类植物及其盟友》第6版，1900年。根据公共领域许可，通过维基共享资源发布。
您会注意到这个孢子囊已经被打开，里面形成的一些孢子已经掉出来了。还要注意右上角的小条纹环，称为“环带”（annulus）。它使孢子囊看起来像戴着罗马百夫长的带羽饰头盔。
这种结构的底部附着在蕨类植物叶片的背面，通常会发现几十个像这样的孢子囊聚在一起。以下是这些簇在蕨类植物背面上的样子
“蕨类植物孢子 P1180804”。根据CC BY-SA 3.0许可，通过维基共享资源发布。
如果您是植物或真菌等固定不动的生物，那么以尽可能快速有效的方式排出后代对您来说是最有利的。对于具有薄囊孢子囊的蕨类植物来说，这意味着像投向最近的十字军城堡的巨石一样发射孢子。看看就知道了
这段视频的叙述者，也是2012年发表在《科学》杂志上的一项研究的合著者，该研究描述了相同的发现，他提到弹射器是由一种称为空化（cavitation）的现象发射的，这值得进一步解释。当液体中由于压力变化而自发形成气泡时，这就是空化。如果您像我一样看过很多潜艇电影，您就会知道空化是一件坏事，因为空化的螺旋桨会发出噪音，从而暴露您对苏联人的位置。这是因为螺旋桨叶片的快速运动会在其边缘产生非常低的水压，从而在设计不良的螺旋桨或驱动不良或过快的螺旋桨中产生空化气泡。一旦低压区过去，这些气泡就会在经历正常的海洋压力后破裂。破裂流产生嘈杂的冲击波，可以被被动声纳接收到。
在植物中，当植物口渴但无水可饮时，水压通常会达到可能引起空化的低水平。在枯萎或遭受干旱胁迫而无法从土壤中吸收更多水分的植物中，这可能会导致大问题。当植物输水导管细胞内的水压达到临界低水平时，它们会发生空化，在细胞中形成气泡，从而阻碍液体的进一步流动。树木内部的空化可能非常嘈杂，以至于在炎热干燥的日子里，您可以用麦克风听到它。
在薄囊孢子囊环带的脊状隔间中，通过环之间薄而透明的壁的蒸发也会产生有利于空化的低压环境。但是，由于蕨类植物的薄囊孢子囊是一次性设备，因此这里的空化不仅没有破坏性，而且是理想且必不可少的。当气泡突然产生时，环带会像弓箭手松开的弓弦一样突然放松，提供将孢子带到相邻邮政编码区域所需的爆发加速度。
但是，如果没有某种方法在摆动中途停止环带的运动，孢子就会被环带猛烈撞击到孢子囊的底部。叙述者指出，每个像样的中世纪弹射器都包含一个横杆，用于停止臂杆并发射有效载荷。毫无疑问，您已经注意到蕨类植物的薄囊孢子囊缺少这样的装置。那么是什么阻止了环带的反弹呢？
答案是粘度（viscosity）。该论文使用一种不太为人所知的关系，称为“达西定律”（Darcy's Law）来解释这种效应。环带的壁特别厚且呈海绵状。当环带弹回时，水在壁中移动会受到很大的粘滞阻力（viscous drag）。这种阻力是由靠近壁（慢）和远离壁（快）的水的移动速度差异产生的，这会在以不同速度移动的水分子中引起内摩擦。
由于环带的纤维素中有许多微小的孔隙（因此具有更大的壁表面积），因此粘滞阻力很大，从而消散了反弹的能量并阻止了弹射器臂的运动。孢子在运动中没有遇到类似的阻力，继续飞向遥远的远方，如果幸运的话，会落在肥沃且没有蕨类植物的地面上。
我将为您留下一个以发射蕨类植物孢子囊为主题的音乐视频，以便您可以进一步观察这种引人入胜的现象。在我看来，这有点像蕨类植物在与自己进行孢子雪球大战。请注意，当孢子球飞过时，从孢子球上掉落的散落孢子会粘附在植物和孢子囊的覆盖物上。这是一种美好、干净、有点混乱的植物学乐趣。
参考文献
Noblin X.，J. Westbrook，C. Llorens，M. Argentina & J. Dumais (2012)。蕨类植物孢子囊：独特的弹射器，《科学》，335 (6074) 1322-1322。DOI：http://dx.doi.org/10.1126/science.1215985