Группа исследователей разгадала тайну, которая интриговала ученых на протяжении столетий: как бешеный огурец-брызгун Ecballium elaterium выстреливает своими семенами?
Брызгающий огурец (Ecballium elaterium, от греческого "ekballein", что означает выбрасывать), известный еще как «бешеный огурец» назван в честь баллистического метода, который этот вид использует для рассеивания своих семян. При созревании яйцевидные плоды отделяются от стебля и выбрасывают семена взрывным образом в виде струи слизи под высоким давлением.
Этот запуск снаряда, длящийся всего 30 миллисекунд, заставляет семена достигать скорости около 20 метров в секунду и приземляться на расстоянии, в 250 раз превышающем длину плода (около 10 м).
До сих пор точный механизм распространения семян огурца-брызгуна и то, как это влияет на его репродуктивный успех, оставались плохо изученными. В новом исследовании ученые из Оксфордского и Манчестерского университетов провели ряд экспериментов на образцах Ecballium, выращенных в Ботаническом саду Оксфордского университета.
Это включало в себя съемку распространения семян с помощью высокоскоростной камеры (со скоростью съемки до 8600 кадров в секунду), измерение объема плодов и стеблей до и после распространения, проведение тестов на вдавливание и компьютерной томографии неповрежденных плодов растений, а также наблюдение за плодами с помощью покадровой фотосъемки в дни, предшествовавшие запуску.
Затем ученые 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:
1. Система под давлением: в течение недель, предшествующих распространению семян, в плодах создается сильное давление из-за накопления слизистой жидкости.
2. 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°, что является ключевым элементом, необходимым для успешного запуска семян.
3. Быстрая отдача: в первые сотни микросекунд выброса кончик стебля отскакивает от плода, заставляя плод вращаться в противоположном направлении.
4. 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 теперь опорожняющейся плодовой капсулы уменьшается), а угол вылета увеличивается (из-за вращения плода). Это приводит к тому, что первоначальные запущенные семена достигают наибольшего расстояния, а последующие семена приземляются ближе. Поскольку несколько плодов распределяются вокруг центра растения, общим результатом является широкое и почти равномерное распределение семян, покрывающих кольцевую область на расстоянии от 2 до 10 м от материнского растения.
Вместе эти компоненты составляют сложную систему распространения семян. В частности, перераспределение жидкости из плода обратно в стебель считается уникальным в растительном мире.
Кадр, на котором показана струя, выбрасываемая из бешеного огурца, который разносит свои семена на расстояние до 10 м от материнского растения. Автор фото: Доминик Велла.
Используя математическую модель, исследователи изучили последствия искусственного изменения различных параметров. Это показало, что метод разбрасывания семян бешеного огурца был точно настроен, чтобы обеспечить почти оптимальное распространение и успех 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, опять же, немногие выжили бы.
Автор, доктор Крис Торогуд (заместитель директора и руководитель научного отдела Оксфордского ботанического сада) сказал: «В течение столетий люди задавались вопросом, как и почему это необычное растение посылает свои семена в мир таким бурным образом. Теперь, как команда биологов и математиков, мы наконец-то разъяснили эту великую ботаническую загадку».
Соавтор доктор Дерек Молтон (профессор прикладной математики Оксфордского математического института) сказал: «Когда мы впервые осматривали это растение в Ботаническом саду, запуск семян был настолько быстрым, что мы не были уверены, что это действительно произошло. Было очень волнительно раскрывать механизм работы этого уникального растения».
По словам соавтора, доктора Финна Бокса (научного сотрудника Королевского общества, Манчестерский университет), «данное исследование предлагает потенциальные возможности применения в биоинженерии и материаловедении, в частности, в системах доставки лекарств по требованию, например, в 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 цуккини. Этот вид произрастает в Средиземноморье, где благодаря своей эффективной стратегии распространения семян часто считается сорняком.
Растение было описано древними греками и римлянами. Натуралист Плиний Старший (23/24 н. э. – 79 н. э.) сказал: «Если, чтобы приготовить его, не разрезать огурец до того, как он созреет, семена вылетят наружу, даже подвергая опасности глаза».
Источник и фото: University of Oxford. На фото: бешеный огурец-брызгун Ecballium elaterium. Автор фото: Дерек Молтон.