Nowe badania wykazały, w jaki sposób tryskający ogórek skutecznie rozprzestrzenia nasiona za pomocą ciśnieniowego systemu wyrzutu, dostarczając wiedzy na temat zastosowań inspirowanych biologią.
Nowe badanie prowadzone pod kierunkiem[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>University of Oxford has unraveled a centuries-old scientific mystery: the mechanism behind the squirting cucumber’s explosive seed dispersal. The research, which involved a series of experiments, high-speed videography, image analysis, and advanced mathematical modeling, was recently published in The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Unveiling the Dispersal Mechanism
The squirting cucumber (Ecballium elaterium, derived from the Greek ‘ekballein,’ meaning to throw out) is named for its explosive method of seed dispersal. When ripe, the ovoid-shaped fruits detach from the stem and eject the seeds explosively in a high-pressure jet of mucilage. This projectile launch, which lasts just 30 milliseconds, propels the seeds at speeds of up to 20 meters per second, allowing them to land as far as 10 meters away—roughly 250 times the length of the fruit.
Until now, the exact mechanism of the squirting cucumber’s seed dispersal – and how this affects its reproductive success – remained poorly understood. In the new study, researchers from the University of Oxford and the University of Manchester conducted a variety of experiments on Ecballium specimens grown at the University of Oxford Botanic Garden.
This included filming the seed dispersal using a high-speed camera (capturing up to 8600 frames per second), measuring fruit and stem volume before and after dispersal, performing indentation tests and CT scans of an intact cucumber, and monitoring the fruit with time-lapse photography in the days leading up to launch. They then developed a suite of mathematical models to describe the mechanics of the pressurized fruit, the stem, and the ballistic trajectories of the seeds.
Szybki kolorowy film przedstawiający wyrzucanie nasion przez tryskający ogórek (Ecballium elaterium). Film jest rejestrowany z szybkością 10 000 kl./s, a zatem jest zwalniany 400 razy. Źródło: Dominic Vella
Kluczowe odkrycia i implikacje strategiczne
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 wylotową i kątem wyrzutu, które zależą od ich kolejności: przy kolejnych nasionach prędkość wylotu maleje (ponieważ zmniejsza się ciśnienie opróżniającej się kapsułki owocowej), podczas gdy kąt wyrzutu 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 redystrybucja płynu z owocu z powrotem do łodygi jest uważana za wyjątkową w królestwie roślin.
Wpływ na przeżywalność roślin i potencjalne zastosowania
Naukowcy wykorzystali model matematyczny do zbadania konsekwencji sztucznej zmiany różnych parametrów. Ujawniło to, że metoda rozprzestrzeniania się nasion tryskającego ogórka została udoskonalona, 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 wyrzutu. W rezultacie nasiona nie zostaną rozproszone wystarczająco daleko od rośliny rodzicielskiej i ponownie niewiele z nich przeżyje.
Wyniki tomografii komputerowej (CT) pokazujące wewnętrzną organizację nasion w owocu tryskającego ogórka. Źródło: Elizabeth Evans
Kontekst historyczny i przyszłe kierunki
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 to się rzeczywiście wydarzyło. . Zgłębianie i odkrywanie mechanizmu działania tej wyjątkowej rośliny było bardzo ekscytujące”.
Według współautora dr Finna Boxa (pracownika badawczego Royal Society University na Uniwersytecie w Manchesterze): „Badania te oferują potencjalne zastosowania w inżynierii inspirowanej biologią i materiałoznawstwie, w szczególności w systemach dostarczania leków na żądanie, na przykład mikrokapsułkach, które wyrzucają nanocząstki, w przypadku których kluczowa jest precyzyjna kontrola szybkiego, kierunkowego uwalniania.”
Ekballium elaterium (wymawiane: eck-piłka-ee-uhm elaht-eh-ree-uhm) należy do rodziny dyniowatych (Cucurbitaceae), do której należą również melony, dynie, dynie i cukinie. The gatunek pochodzi z Morza Śródziemnego, gdzie – dzięki skutecznej strategii rozprzestrzeniania nasion – często jest uważana za chwast. Roślinę opisali starożytni Grecy i Rzymianie: przyrodnik Pliniusz Starszy (23/24–79 ne) powiedział: „Chyba że w celu przygotowania ogórek zostanie rozcięty, zanim dojrzeje, nasiona wyskoczą, zagrażając nawet oczom”.
Odniesienie: „Odkrywanie mechanicznych sekretów tryskającego ogórka” Finn Box, Derek E. Moulton, Dominic Vella, Yuvraj Bhagotra, Tristan Lowe, Alain Goriely i Chris J. Thorogood, 25 listopada 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2410420121
