Новое исследование биомеханики взрывного распространения семян у стреляющих огурцов (Ecballium elaterium) раскрывает, как эти растения адаптировали набор уникальных черт, помогающих им запускать свои высокоскоростные семена на большие расстояния.
Распространение семян происходит во многих формах, и многое известно о распространении с помощью животных, ветра и воды, но меньше — о самоходных механизмах распространения растений. Одним из таких механизмов является баллистическое распространение стреляющего огурца, который использует взрывы высокого давления для выброса семян на высокой скорости на большие расстояния.
«Чтобы эффективно распространять семена, не уничтожая при этом всё растение слишком рано, необходимо, чтобы множество факторов идеально взаимодействовали», — говорит Хелен Горджес, доктор философии, студентка кафедры функциональной морфологии и биомеханики Зоологического института Кильского университета, Германия.
Цель исследования
Чтобы уменьшить прямую конкуренцию за пространство и ресурсы между родительскими и дочерними растениями, у растений существует эволюционное стремление распространять свои семена как можно дальше. Исследование, проведённое Горджес, было направлено на изучение механизмов, которые контролируют плод огурца во время созревания и максимизируют его шансы на успешное распространение.
Методы исследования
Горджес и её команда использовали микрокомпьютерную томографию для создания трёхмерной модели всего плода, а также микро-КТ и высокоскоростную видеосъёмку, чтобы запечатлеть взрывающийся плод в мельчайших деталях.
«Мы записали взрыв плода с помощью высокоскоростных видеосъёмки со скоростью 1000 кадров в секунду и 10 000 кадров в секунду, чтобы рассчитать скорость семян и возможные расстояния стрельбы», — говорит Горджес. «Мы также проанализировали фотографии во время созревания плодов, чтобы измерить кривизну плодоножки и угол между плодом и плодоножкой».
Результаты
Горджес и её команда обнаружили, что семена могут достигать скорости до 29 миль в час и достигать расстояния стрельбы до 12 метров. «Очень интересно наблюдать за взрывами на высокоскоростных записях, поскольку взрывы происходят слишком быстро, чтобы что-то увидеть в режиме реального времени», — говорит Горджес.
Эксперименты также показали, что плодоножка выпрямляется во время созревания, создавая средний угол в 53°, который близок к теоретическому идеальному углу в 50°, максимально увеличивающему дальность стрельбы.
Кроме того, команда обнаружила, что семена всегда выходят из плода одной и той же стороной и при намокании образуют слизистую оболочку, которая становится клейкой при высыхании и улучшает условия для прорастания.
Потенциальные применения
Эти результаты могут найти применение в биоинспирированных пусковых системах, таких как гидрогелевые приводы 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.
Это исследование будет представлено на ежегодной конференции Общества экспериментальной биологии в Антверпене, Бельгия, 8 июля 2025 года.
Предоставлено:
Общество экспериментальной биологии