Zespół kierowany przez Uniwersytet Oksfordzki rozwiązał zagadkę, która od wieków intrygowała naukowców: w jaki sposób tryskający ogórek tryska? Wyniki uzyskane dzięki połączeniu eksperymentów, wideofilmowania z dużą szybkością, analizy obrazu i zaawansowanego modelowania matematycznego opublikowano dzisiaj (25 listopada) w czasopiśmie The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Nazwa tryskającego ogórka (Ecballium elaterium, od greckiego „ekballein”, co oznacza wyrzucić) pochodzi od metody balistycznej stosowanej przez gatunek do rozsiewania nasion. Po dojrzeniu jajowate owoce oddzielają się od łodygi i gwałtownie wyrzucają nasiona w strumieniu śluzu pod wysokim ciśnieniem. Wystrzelenie pocisku – trwające zaledwie 30 milisekund – powoduje, że nasiona osiągają prędkość około 20 metrów na sekundę i lądują na odległości do 250 razy większej niż długość owocu (około 10 m).
Do tej pory dokładny mechanizm rozprzestrzeniania się nasion ogórka tryskającego i jego wpływ na jego sukces reprodukcyjny był słabo poznany. W nowym badaniu naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego i Uniwersytetu w Manchesterze przeprowadzili różnorodne eksperymenty na okazach Ecballium hodowanych w Ogrodzie Botanicznym Uniwersytetu Oksfordzkiego.
Obejmowało to filmowanie rozsiewania nasion za pomocą szybkiej kamery (przechwytującej do 8600 klatek na sekundę), pomiar objętości owoców i łodyg przed i po rozproszeniu, wykonywanie testów wcięcia i tomografii komputerowej nienaruszonego ogórka oraz monitorowanie owoców w czasie. zdjęcia poklatkowe w dniach poprzedzających premierę. Następnie opracowali zestaw modeli matematycznych do opisu mechaniki owocu pod ciśnieniem, łodygi i balistycznych trajektorii nasion.
Stosując to połączone podejście, zespół wyjaśnił kluczowe elementy strategii rozprzestrzeniania się rośliny:
System pod ciśnieniem: W tygodniach poprzedzających rozproszenie nasion owoce znajdują się pod dużym ciśnieniem z powodu gromadzenia się śluzowatego płynu. Redystrybucja płynów: W dniach poprzedzających rozproszenie część tego płynu jest redystrybuowana z owocu na łodygę, dzięki czemu łodyga jest dłuższa, grubsza i sztywniejsza. Powoduje to, że owoc obraca się z prawie pionowego do kąta bliskiego 45°, co jest kluczowym elementem niezbędnym do pomyślnego wypuszczenia nasion. Szybki odrzut: W ciągu pierwszych setek mikrosekund wyrzucenia czubek łodygi cofa się od owocu, powodując obrót owocu w przeciwnym kierunku. Zmienne uruchamianie: Ze względu na powyższe składniki, nasiona są wyrzucane z prędkością wyjściową i kątem wystrzeliwania, które zależą od ich kolejności: w przypadku kolejnych nasion prędkość wyjściowa maleje (ponieważ zmniejsza się ciśnienie w opróżniającej się torebce owocowej), podczas gdy kąt wystrzeliwania wzrasta ( w wyniku rotacji owoców). Powoduje to, że początkowe nasiona docierają na najdalszą odległość, a kolejne lądują bliżej. Ponieważ wokół środka rośliny rozmieszczonych jest wiele owoców, ogólnym rezultatem jest szerokie i prawie równomierne rozmieszczenie nasion na pierścieniowym obszarze w odległości od 2 do 10 m od rośliny matecznej.
Razem te składniki tworzą wyrafinowany system rozsiewania nasion. W szczególności uważa się, że redystrybucja płynu z owocu z powrotem do łodygi jest zjawiskiem wyjątkowym w królestwie roślin.
Korzystając z modelu matematycznego, badacze zbadali konsekwencje sztucznej zmiany różnych parametrów. Ujawniło to, że metoda rozprzestrzeniania się nasion tryskającego ogórka została dopracowana, aby zapewnić niemal optymalne rozsiewanie i sukces rośliny przez pokolenia.
Na przykład pogrubienie i sztywnienie łodygi spowodowało, że nasiona były wyrzucane niemal poziomo, ponieważ owoce obracały się mniej podczas wyładunku. Spowodowałoby to, że nasiona zostałyby rozmieszczone na węższym obszarze, z mniejszą szansą na przeżycie.
Tymczasem zmniejszenie ilości płynu rozprowadzanego z owocu do łodygi spowodowało powstanie nadmiernego ciśnienia w owocu, co spowodowało wyrzucanie nasion z większą prędkością, ale pod niemal pionowym kątem wystrzeliwania. W rezultacie nasiona nie zostaną rozproszone wystarczająco daleko od rośliny rodzicielskiej i ponownie niewiele z nich przeżyje.
Autor dr Chris Thorogood (zastępca dyrektora i kierownik ds. nauki w Oxford Botanic Garden) powiedział: „Przez stulecia ludzie pytali, w jaki sposób i dlaczego ta niezwykła roślina wysyła swoje nasiona w świat w tak brutalny sposób. Teraz jako zespół biologów i matematyków w końcu zaczęliśmy rozwikłać tę wielką botaniczną zagadkę.
Współautor dr Derek Moulton (profesor matematyki stosowanej w Oksfordzkim Instytucie Matematycznym) powiedział: „Kiedy po raz pierwszy sprawdziliśmy tę roślinę w Ogrodzie Botanicznym, wypuszczenie nasion było tak szybkie, że nie byliśmy pewni, czy rzeczywiście to nastąpiło. Zgłębianie i odkrywanie mechanizmu działania tej wyjątkowej rośliny było bardzo ekscytujące”.
Według współautora, dr Finna Boxa (pracownika badawczego Royal Society University, University of Manchester) „Badania te oferują potencjalne zastosowania w inżynierii inspirowanej biologią i naukach o materiałach, w szczególności w systemach dostarczania leków na żądanie, na przykład mikrokapsułkach wyrzucających nanocząstki gdzie kluczowa jest precyzyjna kontrola szybkiego, kierunkowego uwalniania.
Ecballium elaterium (wymawiane: eck-ball-ee-uhm elaht-eh-ree-uhm) jest członkiem rodziny dyniowatych (Cucurbitaceae), która obejmuje również melona, dynię, dynię i cukinię. Gatunek ten pochodzi z Morza Śródziemnego, gdzie dzięki skutecznej strategii rozprzestrzeniania nasion jest często uważany za chwast. Roślinę opisali starożytni Grecy i Rzymianie: przyrodnik Pliniusz Starszy (23/24 – 79 n.e.) powiedział: „Jeśli w celu jej przygotowania nie rozetnie się ogórka, zanim dojrzeje, nasiona wytrysną, co może nawet stanowić zagrożenie oczy.