Roślina jak armata. Strzela nasionami na 10 metrów

W królestwie roślin występują gatunki, które maja dość osobliwe formy rozprzestrzeniania się. Jedną z nich jest tryskawiec sprężysty (Ecballium elaterium), nazywany również tryskaczem lub oślim ogórkiem. Roślina ta ewoluowała, aby przezwyciężyć konieczność wystąpienia wiatru podczas rozsiewania nasion. Zamiast tego, gdy nadchodzi czas, aby dać życie następnemu pokoleniu, tryskawiec sprężysty strzela nasionami jak z armaty. W dojrzałym owocu panuje wysokie ciśnienie i gdy owoc oddziela się od rośliny, nasiona z jego wnętrza wraz ze śluzem wyrzucane są z dużą prędkością na odległość nawet 10 metrów.

Pomimo pozornej prostoty, specyfika wyrzucania nasion, łącząca zjawiska mechaniczne, hydrauliczne i balistyczne, pozostawała w dużej mierze niezbadana. Aż do teraz. W nowych pracach naukowcy z University of Manchester i University of Oxford wykorzystali ultraszybkie kamery umożliwiające przeprowadzenie analiz szybkich procesów oraz zaawansowane modelowanie matematyczne, by poznać unikalne aspekty tej strategii.

Rezultaty oraz opis badań ukazał się na łamach pisma "Proceedings of the National Academy of Sciences" (DOI: 10.1073/pnas.2410420121).

"Nasze badanie pokazuje, w jaki sposób delikatna interakcja elementów mechanicznych przyczynia się do efektywności rozprzestrzeniania, wpływając w ten sposób na rozmieszczenie roślin i dynamikę populacji, a także oferuje wgląd w adaptacje ewolucyjne związane z mechanizmami wybuchowych owoców" – napisali autorzy w publikacji.

Proces samoczynnego rozprzestrzeniania nasion przy wykorzystaniu mechanizmów rośliny macierzystej nazywany jest autochorią. Natomiast autochoria przy użyciu różnorakich mechanizmów balistycznych ma nazwę ballochorii. Naukowcy wskazują, że proces ten jest jednym z najszybszych ruchów w królestwie roślin.

W swoich badania naukowcy wykorzystali kamery zdolne zarejestrować nawet 8600 klatek na sekundę. Nagrali na nich, jak tryskacze strzelają swoimi nasionami. Wykonali także pomiary całych roślin przed i po wyrzuceniu nasion. Stworzyli również poklatkowy film roślin w okresie poprzedzającym rozsiewanie, a nawet wykonali ich tomografię komputerową. Następnie opracowali zestaw modeli matematycznych opisujących mechanikę ciśnieniowego wyrzutu nasion i ich trajektorii balistycznych.

Ich obserwacje ujawniły cztery kluczowe etapy tego procesu. Najpierw, na kilka tygodni przed rozsiewem nasion, owoce wypełniają się śluzowatym płynem, co zwiększa ciśnienie w owocu. Następnie część zgromadzonego płynu jest przekierowywana z owocu do łodygi, co ją wydłuża i powoduje jej zgrubienie oraz usztywnienie. Redystrybucja płynu sprawia też, że owoc zmienia swoją orientację z pozycji niemal pionowej do kąta zbliżonego do 45 stopni, co jest kluczowym elementem niezbędnym do dalekiego wystrzelenia nasion. Kolejny etap zaczyna się od gwałtownego odrzucenia owocu od łodygi, wprawiając owoc w ruch obrotowy. Na koniec nasiona wylatują w powietrze.

Nasiona są wyrzucane z prędkością i kątem wyrzutu, które zależą od przebiegu wcześniejszych etapów. Wraz z kolejnymi nasionami prędkość wylotowa maleje, ponieważ maleje ciśnienie w opróżniającym się owocu, podczas gdy kąt wyrzutu wzrasta z powodu obrotu owocu. To sprawia, że nasiona wyrzucane w pierwszej kolejności osiągają najdalsze odległości, a kolejne lądują bliżej rośliny. Owoce są rozmieszczone wokół środka rośliny, czego rezultatem jest szeroki i prawie równomierny rozkład wyrzuconych nasion pokrywających obszar w kształcie pierścienia w odległości od 2 do 10 metrów od rośliny macierzystej.

Wszystkie te etapy tworzą niezwykle wyrafinowany system rozsiewania nasion. Naukowcy wskazują, że redystrybucja płynu z owocu do łodygi jest wyjątkowa w królestwie roślin. Zwracają również uwagę na to, że metoda rozsiewania nasion wypracowana przez tryskawiec sprężysty zapewnia niemal optymalny rozsiew nasion i sukcesu reprodukcyjny rośliny.

– Te badania oferują potencjalne zastosowania w inżynierii inspirowanej biologią i nauce o materiałach, w szczególności w systemach dostarczania leków na żądanie – na przykład mikrokapsułki, które wyrzucają nanocząsteczki, gdzie precyzyjna kontrola szybkiego, kierunkowego uwalniania jest kluczowa – powiedział dr Finn Box z University of Manchester.

Tryskawiec sprężysty może wystrzeliwać nasiona nawet na odległość 10 metrów. Jednak jest roślina, która strzela dalej swoimi nasionami. To oczar chiński (Hamamelis mollis). W idealnych warunkach roślina ta może wystrzelić nasiona nawet na 18 metrów.

Źródło: University of Oxford, IFLScience, fot. Dominic Vella