В Оксфордском университете разгадали тайну, столетиями мучившую ученых: как бешеному огурцу удается так далеко разбрызгивать семенной материал? Результаты экспериментов и математического моделирования опубликованы в PNAS.
Бешеный огурец Ecballium elaterium известен своеобразным методом размножения — плод отделяется от стебля, и семена выбрасываются из него со скоростью около 20 м/с, разлетаясь в радиусе до 10 метров.
Исследование провели в Ботаническом саду Оксфордского университета. Оно включало в себя высокоскоростную (до 8600 кадров в секунду) съемку распространения семян, покадровую съемку созревания огурцов, их измерение штангенциркулем и компьютерную томографию.
Установлены ключевые факторы, обуславливающие репродуктивный успех бешеного огурца.
Накопление давления: в течение недель, предшествующих извержению, в плодах создается высокое давление из-за накопления слизистой жидкости. Перераспределение жидкости: в дни перед выбросом часть этой жидкости перераспределяется из плода в стебель, делая стебель длиннее, толще и жестче. Это поворачивает огурец из почти вертикального положения под углом примерно 45° — и становится 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. Изменение параметров выброса: в ходе извержения скорость вылета семян падает из-за снижения давления внутри огурца, но угол увеличивается благодаря его вращению. Таким образом несколько плодов обеспечивают равномерный засев площади в радиусе от 2 до 10 метров от растения.
Все вместе это составляет сложную систему размножения с уникальным для растительного мира явлением возврата жидкости из плода в стебель.
На основе полученных данных ученые построили математическую модель распространения семян бешеным огурцом и, меняя в ней параметры, убедились, что природный механизм настроен идеально. Например, если сделать стебель толще и жестче, семена будут вылетать почти горизонтально, поскольку плод будет меньше вращаться во время выброса, и засеют узкую полосу. Уменьшение перетока жидкости из плода в стебель привело бы к чрезмерному давлению, из-за чего семена выбрасывались бы с большей скоростью, но почти вертикально — и разлетелись бы неравномерно и недостаточно далеко.
«На протяжении столетий люди задавались вопросом, как и почему это необычное растение так бурно распространяет свои семена. Теперь мы, как команда биологов и математиков, наконец-то начали разгадывать эту великую ботаническую загадку», — поделился заместитель директора Оксфордского ботанического сада Крис Торогуд.«Это исследование предлагает потенциальные возможности применения в биоинженерии и материаловедении — в частности, в системах доставки лекарств по требованию, например, микрокапсулах, которые выбрасывают наночастицы, — где важен точный контроль быстрого направленного высвобождения», — пояснил физик Финн Бокс из Манчестерского университета.