Περιεχόμενα Άρθρου
Αναβοσβήνει και μπορεί να χάσετε πόσο γρήγορα αυτό αγγούρι που ψεκάζει (Ecballium elaterium) εκτοξεύει τους σπόρους του. Η μηχανική πίσω από αυτό το φυσικό θαύμα ήταν μια δύσκολη βιολογική υπόθεση. Τώρα, με έναν συνδυασμό πειραμάτων, εξελιγμένης μαθηματικής μοντελοποίησης και καμερών υψηλής ταχύτητας, μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο κοίταξαν πίσω από την επιφάνεια για να δουν τι κάνει το squirting αγγούρι να squirt. Ecballium elaterium χρησιμοποιεί τέσσερα βασικά συστατικά για να διασκορπίσει με επιτυχία τους σπόρους του που έχουν εξευγενιστεί με την πάροδο του χρόνου για να εξασφαλίσει τις καλύτερες πιθανότητες επιβίωσης των σπόρων. Τα ευρήματα αναφέρονται αναλυτικά στο α μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 25 Νοεμβρίου στο περιοδικό Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών (PNAS).
«Για αιώνες οι άνθρωποι ρωτούσαν πώς και γιατί αυτό το εξαιρετικό φυτό στέλνει τους σπόρους του στον κόσμο με τόσο βίαιο τρόπο», δήλωσε ο Chris Thorogood, συν-συγγραφέας της μελέτης και Αναπληρωτής Διευθυντής και Επικεφαλής του Βοτανικού Κήπου της Οξφόρδης. είπε σε δήλωση. «Τώρα, ως ομάδα βιολόγων και μαθηματικών, αρχίσαμε επιτέλους να ξετυλίγουμε αυτό το μεγάλο βοτανικό αίνιγμα».
Αποτελέσματα αξονικής τομογραφίας (CT) που δείχνει την εσωτερική οργάνωση των σπόρων μέσα στον καρπό του αγγουριού που εκτοξεύεται. ΠΙΣΤΩΣΗ: Ελίζαμπεθ Έβανς
ΒΙΝΤΕΟ: Αποτελέσματα αξονικής τομογραφίας (CT) που δείχνει την εσωτερική οργάνωση των σπόρων μέσα στον καρπό του αγγουριού που εκτοξεύεται. ΠΙΣΤΩΣΗ: Ελίζαμπεθ Έβανς
Τι είναι το αγγούρι που ψεκάζει;
Ecballium elaterium είναι μέλος του οικογένεια κολοκύθας Cucurbitaceae που περιλαμβάνει επίσης πεπόνι, κολοκύθα και σκουός. Είναι εγγενές στη Μεσόγειο και συχνά θεωρείται ζιζάνιο λόγω του πόσο καλά διαχέει τους σπόρους του και εξαπλώνεται. Το περιέγραψαν ακόμη και οι αρχαίοι Ρωμαίοι και Έλληνες. Γύρω στο 77 μ.Χ. Έγραψε ο Ρωμαίος συγγραφέας και φυσιοδίφης Πλίνιος ο Πρεσβύτερος«Εκτός και αν, για να το προετοιμάσουμε, το αγγούρι κοπεί πριν ωριμάσει, ο σπόρος εκτοξεύεται, θέτοντας σε κίνδυνο ακόμη και τα μάτια», στους τόμους του για τη φυσική ιστορία.
Όταν είναι ώριμο, το αγγούρι που εκτοξεύεται θα αποκολληθεί από το στέλεχος και θα εκτοξεύσει τους σπόρους του σε ένα πίδακα βλέννας υψηλής πίεσης. Σε μόνο 30 χιλιοστά του δευτερολέπτουμπορεί να στείλει τους σπόρους του περίπου 65 πόδια ανά δευτερόλεπτο. Το πώς επιτυγχάνει αυτό το κατόρθωμα έχει παραπλανήσει τους επιστήμονες εδώ και αιώνες.
«Την πρώτη φορά που επιθεωρήσαμε αυτό το φυτό στον Βοτανικό Κήπο, η εκτόξευση των σπόρων ήταν τόσο γρήγορη που δεν ήμασταν σίγουροι ότι είχε συμβεί στην πραγματικότητα», ο συν-συγγραφέας της μελέτης και εφαρμοσμένος μαθηματικός του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης Derek Moulton. είπε σε δήλωση.
Υπό πίεση
Σε αυτό νέα μελέτημια ομάδα από την Οξφόρδη και το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ διεξήγαγε αρκετά πειράματα για Ecballium δείγματα που καλλιεργήθηκαν στο Βοτανικό Κήπο του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.
Γύρισαν τη διασπορά των σπόρων χρησιμοποιώντας μια κάμερα υψηλής ταχύτητας, η οποία κατέγραψε έως και 8.600 καρέ ανά δευτερόλεπτο. Στη συνέχεια μέτρησαν τον όγκο του καρπού και του στελέχους τόσο πριν όσο και μετά τη διασπορά, πραγματοποίησαν δοκιμές εσοχής, έκαναν αξονικές τομογραφίες ενός άθικτου αγγουριού και παρακολούθησαν τον καρπό με φωτογραφία time-lapse τις ημέρες πριν από την κυκλοφορία των σπόρων.
[Related: Watch ‘tiny tornadoes’ spread plant pathogens.]
Από αυτά τα δεδομένα, ανέπτυξαν μια σειρά μαθηματικών μοντέλων για να περιγράψουν τη μηχανική του φρούτου υπό πίεση, του στελέχους και του βαλλιστικές τροχιές των σπόρων. Η συνδυασμένη προσέγγιση τους βοήθησε να εντοπίσουν το βασικά συστατικά της στρατηγικής διασποράς του αγγουριού με squirting– σύστημα υπό πίεση, ανακατανομή υγρού, ταχεία ανάκρουση και μεταβλητή εκτόξευση.
Τις εβδομάδες πριν από τη διασπορά των σπόρων, ένα βλεννώδες υγρό συσσωρεύεται και σχηματίζει ένα σύστημα υπό πίεση όπως ένας αεροσυμπιεστής ή μια δεξαμενή SCUBA. Αυτή η πίεση είναι που βοηθά τους σπόρους να απελευθερωθούν με τόσο γρήγορο ρυθμό.
Στη συνέχεια, κατά τις ημέρες πριν από τη διασπορά, μέρος αυτού του υγρού θα ανακατανεμηθεί από τον καρπό στο στέλεχος. Αυτό κάνει το στέλεχος μακρύτερο, παχύτερο και πιο άκαμπτο. Όταν το υγρό ανακατανέμεται, ο καρπός περιστρέφεται από σχεδόν κατακόρυφο σε γωνία περίπου 45 μοιρών. Αυτή η οξεία γωνία είναι ένα βασικό στοιχείο που απαιτείται για την επιτυχή εκτόξευση των σπόρων, επειδή εξισορροπεί τα κάθετα και οριζόντια στοιχεία του φυτού.
Μόνο κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων μικροδευτερόλεπτων της εκτόξευσης, η άκρη του στελέχους στη συνέχεια οπισθοχωρεί μακριά από τον καρπό. Αυτή η αστραπιαία ανάκρουση περιστρέφει τον καρπό προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Οι σπόροι εκτινάσσονται όλοι με ταχύτητα και γωνία εκτόξευσης που εξαρτάται από τη σειρά απελευθέρωσης. Η ταχύτητα εξόδου ενός σπόρου μειώνεται επειδή μειώνεται η πίεση της κάψουλας των καρπών που εκκενώνονται. Ταυτόχρονα, η γωνία εκτόξευσης αυξάνεται λόγω της περιστροφής του καρπού. Έτσι οι πιο πρώιμοι σπόροι φτάνουν στην πιο απομακρυσμένη απόσταση και οι ακόλουθοι σπόροι προσγειώνονται πιο κοντά στο φυτό. Έχοντας μια τόσο μεγάλη περιοχή διασποράς διασφαλίζει ότι περισσότεροι σπόροι έχουν την ευκαιρία να επιβιώσουν.
Ενώ πολλοί καρποί κατανέμονται γύρω από το κέντρο του φυτού, μια ευρεία και σχεδόν ομοιόμορφη κατανομή των σπόρων καλύπτει περιοχή σε σχήμα δακτυλίου περίπου 6,5 και 32 πόδια μακριά από το μητρικό φυτό.
Όταν χρησιμοποιούνται μαζί, αυτά τα στοιχεία συνθέτουν ένα εξελιγμένο σύστημα διασποράς σπόρων. Η ανακατανομή του υγρού από τον καρπό πίσω στο στέλεχος είναι πιστεύεται ότι είναι μοναδικό στο φυτικό βασίλειο.
Όλα για τους σπόρους
Μια φορά η ομάδα ανέπτυξε το μαθηματικό μοντέλο αυτής της διαδικασίας διασποράς, διερεύνησαν τι θα συνέβαινε αν άλλαζαν διαφορετικά μέρη της διαδικασίας. Διαπίστωσαν ότι η μέθοδος προβολής σπόρων του αγγουριού που εκτοξεύεται έχει τελειοποιηθεί για να διασφαλιστεί η σχεδόν βέλτιστη διασπορά των σπόρων και η επιτυχία του φυτού στις επόμενες γενιές.
Για παράδειγμα, κάνοντας το στέλεχος παχύτερο και πιο άκαμπτο προκάλεσε την εκτόξευση των σπόρων σχεδόν οριζόντια, επειδή ο καρπός θα περιστρέφονταν λιγότερο κατά την εκφόρτωση. Αυτοί οι σπόροι θα ήταν τότε κατανέμεται σε μια πιο στενή περιοχήμε λιγότερες πιθανότητες επιβίωσης.
Εν τω μεταξύ, η μείωση της ποσότητας του υγρού που ανακατανέμεται από τον καρπό στο στέλεχος είχε ως αποτέλεσμα ένα φρούτο υπερπίεσης. Αυτό εκτόξευσε τον σπόρο με μεγαλύτερη ταχύτητα, αλλά σε σχεδόν κάθετη γωνία εκτόξευσης. Με αυτόν τον συνδυασμό, οι σπόροι θα να μην διασκορπιστεί αρκετά μακριά από το μητρικό φυτό, τόσο λίγοι θα επιζούσαν.
Εκτός από το σπάσιμο ενός βιολογικού μυστηρίου, η περιγραφή αυτής της διαδικασίας θα μπορούσε να έχει μελλοντικές εφαρμογές στην ανθρώπινη ιατρική.
«Αυτή η έρευνα προσφέρει πιθανές εφαρμογές στη βιο-εμπνευσμένη μηχανική και επιστήμη των υλικών, ιδιαίτερα σε συστήματα χορήγησης φαρμάκων κατά παραγγελία, για παράδειγμα μικροκάψουλες που εκτοξεύουν νανοσωματίδια όπου ο ακριβής έλεγχος της ταχείας, κατευθυντικής απελευθέρωσης είναι ζωτικής σημασίας», συν-συγγραφέας της μελέτης και φυσικός του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ. Finn Box είπε σε δήλωση.
ΔΕΙΤΕ ΤΕΛΕΥΤΑΙΟΥΣ ΟΔΗΓΟΥΣ ΔΩΡΩΝ
VIA: popsci.com
