Группа исследователей под руководством Оксфордского университета раскрыла тайну, которая интриговала ученых на протяжении столетий: как стреляет бешеный огурец? Результаты, полученные благодаря сочетанию экспериментов, высокоскоростной видеосъемки, анализа изображений и передового математического моделирования, были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Бешеный огурец (Ecballium elaterium, от греческого «ekballein», что означает «выбрасывать») назван так за баллистический метод, который этот вид использует для рассеивания своих семян. Когда плоды яйцевидной формы созревают, они отделяются от плодоножки и выбрасывают семена в виде струи слизи под высоким давлением. В результате выброса, который длится всего 30 миллисекунд, семена развивают скорость около 20 метров в секунду и приземляются на расстоянии, в 250 раз превышающем длину плода (около 10 м).
До сих пор точный механизм рассеивания семян бешеного огурца – и его влияние на репродуктивный успех, – оставался малоизученным. В новом исследовании ученые из Оксфордского и Манчестерского университетов провели ряд экспериментов с экземплярами Ecballium, выращенными в Ботаническом саду Оксфордского университета.
Они снимали рассеивание семян с помощью высокоскоростной камеры (до 8600 кадров в секунду), измеряли объем плода и стебля до и после рассеивания, проводили тесты на вдавливание и компьютерную томографию неповрежденного огурца, а также наблюдали за плодами с помощью таймлапс-съемки в течение нескольких дней до запуска. Затем исследователи разработали набор математических моделей для описания механики плода, находящегося под давлением, плодоножки и баллистических траекторий семян.
Используя этот комбинированный подход, команда выяснила ключевые компоненты стратегии рассеивания семян.
- В течение нескольких недель, предшествующих рассеиванию семян, плоды находятся под высоким давлением из-за скопления слизистого вещества.
- За несколько дней до рассеивания часть жидкости перераспределяется от плода к плодоножке, делая ее длиннее, толще и жестче. Это заставляет плод поворачиваться от почти вертикального положения до угла, близкого к 45°, что является ключевым элементом, необходимым для успешного запуска семян.
- В первые сотни микросекунд после выброса верхушка стебля отходит от плода, заставляя его вращаться в противоположном направлении.
- Благодаря вышеуказанным компонентам семена выбрасываются с разной скоростью и под разным углом, которые зависят от их последовательности: с последующими семенами скорость выхода уменьшается (поскольку давление опустошающейся капсулы плода уменьшается), а угол запуска увеличивается (из-за вращения плода). В результате начальные семена достигают наибольшего расстояния, а последующие приземляются ближе. Поскольку множество плодов распределяются вокруг центра растения, в результате получается широкое и почти равномерное распределение семян, охватывающее кольцеобразную область на расстоянии от 2 до 10 м от материнского растения.
Вместе эти компоненты образуют сложную систему рассеивания семян. В частности, перераспределение жидкости из плода обратно в стебель считается уникальным в растительном царстве. Используя математическую модель, исследователи изучили последствия искусственного изменения различных параметров. В результате выяснилось, что метод выбрасывания семян у бешеного огурца был отлажен таким образом, чтобы обеспечить практически оптимальное рассеивание и успех растения на протяжении многих поколений.
Например, если сделать плодоножку более толстой и жесткой, то семена будут вылетать почти горизонтально, так как плод будет меньше вращаться во время выброса. В результате семена распределяются по более узкой площади, и меньше шансов выжить. Между тем, уменьшение количества жидкости, перераспределяемой от плода к плодоножке, приводило к избыточному давлению на плод, в результате чего семена выбрасывались с более высокой скоростью, но с почти вертикальным углом запуска. Следовательно, семена не будут рассеиваться достаточно далеко от материнского растения, и, опять же, выживут немногие.
Автор исследования доктор Крис Торогуд (руководитель научного отдела Оксфордского ботанического сада) сказал: «На протяжении веков люди задавались вопросом, как и почему это необычное растение посылает свои семена в мир таким жестоким способом. Теперь, объединив усилия биологов и математиков, мы наконец-то начали разгадывать эту великую ботаническую загадку».
По словам соавтора работы доктора Финна Бокса, это исследование может найти применение в биоинженерном деле и материаловедении, в частности, в системах доставки лекарств по требованию, например, в микрокапсулах, выбрасывающих наночастицы, где очень важен точный контроль за быстрым и направленным высвобождением.
