_ Modelare matematică dezvăluie secretul exploziv al castraveților care stropește

O echipă condusă de Universitatea din Oxford a rezolvat un mister care a intrigat oameni de știință de secole: cum stropește castravetele?

Descoperirile, realizate printr-o combinație de experimente, videografie de mare viteză, analiză de imagini și modelare matematică avansată, au fost publicate pe 25 noiembrie în Proceedings of the Academia Națională de Științe (PNAS).

Castravetele stropitoare (Ecballium elaterium, din greacă „ekballein”, care înseamnă a arunca) este numit după metoda balistică pe care o folosește specia pentru a-și dispersa semințele. Când sunt coapte, fructele în formă de ovoid se desprind de pe tulpină și ejectează exploziv semințele într-un jet de mucilagiu de înaltă presiune.

Această lansare a proiectilului – care durează doar 30 de milisecunde – face ca semințele să atingă viteze de aproximativ 30 de milisecunde. 20 de metri pe secundă și aterizează la distanțe de până la 250 de ori lungimea fructului (aproximativ 10 m).

Până la acum, mecanismul exact al împrăștierii semințelor castraveților stropiți – și modul în care acest lucru îi afectează succesul reproductiv – a rămas prost înțeles. În noul studiu, cercetătorii de la Universitatea din Oxford și de la Universitatea din Manchester au efectuat o varietate de experimente pe specimene de Ecballium cultivate la Grădina Botanică a Universității din Oxford.

Aceasta a inclus filmarea dispersării semințelor folosind un camera de viteză (captură până la 8.600 de cadre pe secundă), măsurarea volumului fructelor și tulpinii înainte și după dispersare, efectuând teste de indentare și scanări CT ale unui intact castraveți și monitorizarea fructelor cu fotografii time-lapse în zilele premergătoare lansării.

Au dezvoltat apoi o suită de modele matematice pentru a descrie mecanica fructelor sub presiune, a tulpinii și a traiectoriilor balistice. a semințelor.

Folosind această abordare combinată, echipa a elucidat componentele cheie ale strategiei de dispersie a plantei:

Împreună, aceste componente alcătuiesc o soluție sofisticată. sistem de dispersie a semințelor. În special, se crede că redistribuirea fluidului din fructe înapoi în tulpină este unică în regnul plantelor.

Folosind modelul matematic, cercetătorii au explorat consecințele modificării artificiale a diferiților parametri. Acest lucru a relevat faptul că metoda de proiecție a semințelor a castraveților stropiți a fost ajustată pentru a asigura o dispersie aproape optimă și succesul plantei de-a lungul generațiilor.

De exemplu, făcând tulpina mai groasă și mai rigidă a dus la semințele fiind lansate aproape orizontal, deoarece fructele s-ar roti mai puțin în timpul descărcării. Acest lucru ar face ca semințele să fie distribuite pe o zonă mai îngustă, cu mai puține șanse de supraviețuire.

Între timp, reducerea cantității de fluid redistribuită de la fruct la tulpină a dus la un fruct suprapresurizat, provocând sămânța să fie aruncată la viteze mai mari, dar la un unghi de lansare aproape vertical. În consecință, semințele nu ar fi dispersate suficient de departe de planta părinte și, din nou, puține ar supraviețui.

Autorul dr. Chris Thorogood (director adjunct și șef al departamentului de știință la Oxford Botanic Garden) a spus: „ Timp de secole, oamenii s-au întrebat cum și de ce această plantă extraordinară își trimite semințele în lume într-un mod atât de violent. Acum, ca echipă de biologi și matematicieni, am început în sfârșit pentru a dezlega această mare enigmă botanică.”

Coautorul Dr. Derek Moulton (profesor de matematică aplicată la Institutul de matematică din Oxford) a spus: „Prima dată când am inspectat această plantă în Grădina Botanică, sămânța Lansarea a fost atât de rapidă încât nu eram siguri că s-a întâmplat cu adevărat. A fost foarte interesant să descoperim mecanismul acestei plante unice.”

Conform co-autorului, dr. Finn Box, (Royal Society University Research Fellow, Universitatea din Manchester), „Această cercetare oferă potențiale aplicații în inginerie și știința materialelor bio-inspirate, în special în livrarea de medicamente la cerere. sisteme, de exemplu microcapsule care ejectează nanoparticule în care controlul precis al eliberării rapide, direcționale este crucial.”

Ecballium elaterium este un membru al familiei de tărtăcuțe (Cucurbitaceae), care, de asemenea include pepene galben, dovleac, dovleac și dovlecei. Specia este originară din Marea Mediterană, unde – datorită strategiei sale eficiente de dispersie a semințelor – este adesea privită ca o buruiană.

Planta a fost descrisă de vechii greci și romani. Naturalistul, Pliniu cel Bătrân (23/24–79 d.Hr.) a spus: „Dacă, pentru a-l pregăti, castravetele nu sunt tăiați înainte de a fi copt, sămânța țâșnește, punând chiar în pericol ochii.”

(Fluierul)