Суперпушка природы: как устроена взрывная система бешеного огурца

Новое исследование показало, как бешеный огурец эффективно рассеивает семена с помощью системы запуска под давлением. Это дает представление о возможностях применения механизма в биотехнологиях.

Новое исследование, проведенное учеными Оксфордского университета, раскрыло многовековую научную тайну: механизм, стоящий за взрывным распространением семян бешеного огурца. Результаты серии экспериментов с применением высокоскоростной видеосъемки и математического моделирования недавно были опубликованы в The Proceedings of the National Academy of Sciences.

Бешеный огурец Ecballium elaterium (от греческого «ekballein», что означает «выбрасывать») назван так из-за своего взрывного метода рассеивания семян. При созревании яйцевидные плоды отделяются от стебля и выбрасывают семена взрывным образом в виде струи слизи под высоким давлением. Этот пусковой заряд, который длится всего тридцать миллисекунд, разгоняет семена до скорости до двадцати метров в секунду, позволяя им приземляться на расстоянии до десяти метров от материнского растения, что примерно в 250 раз больше длины плода.

До сих пор точный механизм распространения семян огурца-брызгуна и то, как это влияет на его репродуктивный успех, оставались плохо изученными. В ходе нового исследования ученые провели ряд экспериментов на образцах Ecballium, выращенных в Ботаническом саду Оксфордского университета.

Работа включала съемку распространения семян с помощью высокоскоростной камеры, снимающей до 8600 кадров в секунду, измерение объема плода и стебля до и после распространения, проведение тестов на вдавливание и КТ-сканирование неповрежденного огурца, а также мониторинг плода с помощью покадровой съемки в дни, предшествовавшие запуску. Затем они разработали набор математических моделей для описания механики находящегося под давлением плода, стебля и баллистических траекторий семян.

Используя этот комбинированный подход, команда выявила ключевые компоненты стратегии распространения растения:

• Система под давлением: в течение недель, предшествующих распространению семян, в плодах создается сильное давление из-за накопления слизистой жидкости.
• Перераспределение жидкости: в дни перед рассеиванием часть этой жидкости перераспределяется из плода в стебель, делая стебель длиннее, толще и жестче. Это заставляет плод поворачиваться из почти вертикального положения в положение, близкое к 45 градусам, что является ключевым элементом, необходимым для успешного запуска семян.
• Быстрая отдача: в первые сотни микросекунд выброса кончик стебля отскакивает от плода, заставляя плод вращаться в противоположном направлении.
• Переменный запуск: благодаря компонентам, указанным выше, семена выбрасываются со скоростью выхода и углом вылета, которые зависят от их последовательности. С последующими семенами скорость выхода уменьшается, потому что давление опорожняющейся плодовой капсулы уменьшается, а угол вылета увеличивается из-за вращения плода. Это приводит к тому, что первые семена достигают наибольшего расстояния, а последние — приземляются ближе. Поскольку несколько плодов распределяются вокруг центра растения, общим результатом является широкое и почти равномерное распределение семян, покрывающих кольцевую область на расстоянии от двух до десяти метров от материнского растения.

Вместе это составляет сложную систему распространения семян. В частности, перераспределение жидкости из плода обратно в стебель считается уникальным в растительном мире.

Исследователи использовали математическую модель для изучения последствий искусственного изменения различных параметров. Это показало, что метод проекции семян бешеного огурца был точно настроен для обеспечения почти оптимального распространения и успеха растения на протяжении поколений. Например, если сделать стебель толще и жестче, семена будут вылетать почти горизонтально, поскольку плод будет меньше вращаться во время выброса. Это приведет к тому, что семена будут распределены по более узкой области, и вероятность их выживания будет меньше.

Между тем, уменьшение количества жидкости, перераспределяемой из плода в стебель, привело к чрезмерному давлению на плод, из-за чего семена выбрасывались с большей скоростью, но под почти вертикальным углом вылета. Следовательно, семена не были бы рассеяны достаточно далеко от родительского растения, и немногие выжили бы.

«В течение столетий люди спрашивали, как и почему это необычное растение посылает свои семена в мир таким бурным образом. Теперь как команда биологов и математиков мы наконец начали разгадывать эту великую ботаническую загадку», — отмечает доктор Крис Торогуд, заместитель директора и руководитель научного отдела Оксфордского ботанического сада.

По словам соавтора экспериментов, доктора Финна Бокса, научного сотрудника Королевского общества в Манчестерском университете, «данное исследование предлагает потенциальные возможности применения в биоинженерии и материаловедении, в частности в системах доставки лекарств по требованию, например, микрокапсулах, которые выбрасывают наночастицы, где точный контроль быстрого направленного высвобождения имеет решающее значение».

Ecballium elaterium — представитель семейства тыквенных Cucurbitaceae, в которое также входят дыня, тыква, кабачок и огурец. Этот вид произрастает в Средиземноморье, где благодаря его эффективной стратегии распространения семян растение часто считают сорняком. Бешеный огурец описывался древними греками и римлянами. Например, натуралист Плиний Старший, живший в первом веке, сказал о нем: «Если во время готовки не разрезать огурец до того, как он созреет, семена вылетят наружу, даже подвергая опасности глаза».

Поддержать развитие блога можно на Boosty по ссылке.