Наблюдайте за тем, как стреляющий огурец совершает баллистический выброс.
Распространение семян у стреляющего огурца (Ecballium elaterium) происходит с помощью высокоскоростных взрывов на его кончике, разбрасывающих семена на большие расстояния.
«Чтобы семена распространялись наиболее эффективно, при этом не разрушая всё растение слишком рано, должно идеально взаимодействовать множество факторов», — говорит Хелен Горджес, аспирантка кафедры функциональной морфологии и биомеханики Зоологического института Кильского университета в Германии.
Растения выработали множество механизмов для распространения своих семян как можно дальше. Это уменьшает прямую конкуренцию за пространство и ресурсы между родительским растением и потомством.
Некоторые виды распространяют семена по ветру, другие — по воде. Животные также могут переносить плоды и семена в своей шерсти или желудках, чтобы оставить их в другом месте.
Некоторые растения используют самоходное распространение — баллистическое.
Горджес и её коллеги зафиксировали каждый момент взрывного события со стреляющим огурцом с помощью высокоскоростных камер.
«Мы записали взрыв плода с помощью высокоскоростных видеосъёмок со скоростью 1000 кадров в секунду (fps) и 10 000 fps, чтобы рассчитать скорость семян и возможную дистанцию их разлёта», — говорит Горджес.
Они использовали микрокомпьютерную томографию (микро-КТ) для создания трёхмерных моделей плода в состоянии покоя и во время выбросов.
«Мы также проанализировали изображения во время созревания плодов, чтобы измерить кривизну плодоножки и угол между плодом и плодоножкой», — говорит Горджес.
Команда сделала это, чтобы изучить механизмы, контролирующие процесс созревания, и максимизировать шансы плода на успешное распространение семян.
Как происходит взрывной выброс семян
По мере созревания плода овальной формы нарастает «давление тургора». В конце концов, плод взрывается — отделяется от плодоножки и выстреливает семена одно за другим.
«Очень интересно наблюдать за взрывами с помощью высокоскоростной записи, поскольку взрывы происходят слишком быстро, чтобы что-то разглядеть в реальном времени!» — говорит Горджес, которая обнаружила, что семена, вылетающие из конца огурца, достигают скорости примерно до 46 км/ч (29 миль/ч) и разлетаются на расстояние до 12 метров.
Такой плавный вылет возможен благодаря слизи — густой клейкой жидкости, которую производит растение. Горджес и её команда выяснили, что эта слизь становится липкой при высыхании и улучшает условия для прорастания.
Эксперименты также показали, что стебель огурца выпрямляется в среднем под углом 53° во время созревания, что близко к углу в 50°, который теоретически максимизирует расстояние, которое преодолевают семена.
Исследователи говорят, что их выводы могут быть применены в биоинспирированных пусковых системах для медицинских инструментов и микророботов.
«Есть также множество применений в мягкой робототехнике, системах доставки лекарств и подобных устройствах, где желательны энергоэффективные пусковые системы», — говорит Горджес.
Результаты были представлены на ежегодной конференции Общества экспериментальной биологии в Антверпене, Бельгия, 8 июля.