Un nuovo studio rivela il segreto esplosivo del cetriolo che spruzza

Il cetriolo che spruzza (Ecballium elateriumdal greco ‘ekballein’, gettare via) prende il nome dal metodo balistico utilizzato dalla specie per disperdere i propri semi. A maturazione avvenuta, i frutti, di forma ovoidale, si staccano dal fusto ed espellono i semi in modo esplosivo in un getto di mucillagine ad alta pressione. Questo lancio di proiettili, della durata di soli 30 millisecondi, fa sì che i semi raggiungano una velocità di circa 20 metri al secondo e atterrino a distanze fino a 250 volte la lunghezza del frutto (circa 10 metri).

Fino ad ora, l’esatto meccanismo di dispersione dei semi del cetriolo – e il modo in cui ciò influisce sul suo successo riproduttivo – è rimasto poco compreso. Nel nuovo studio, i ricercatori dell’Università di Oxford e dell’Università di Manchester hanno condotto una serie di esperimenti Ecballio esemplari coltivati ​​presso il Giardino Botanico dell’Università di Oxford.

Ciò includeva filmare la dispersione dei semi utilizzando una telecamera ad alta velocità (catturando fino a 8600 fotogrammi al secondo), misurare il volume del frutto e dello stelo prima e dopo la dispersione, eseguire test di indentazione e scansioni TC di un cetriolo intatto e monitorare il frutto nel tempo. fotografie temporanee nei giorni precedenti al lancio. Hanno poi sviluppato una serie di modelli matematici per descrivere la meccanica del frutto pressurizzato, dello stelo e delle traiettorie balistiche dei semi.

Utilizzando questo approccio combinato, il team ha chiarito i componenti chiave della strategia di dispersione della pianta:

1. Un sistema pressurizzato: Nelle settimane che precedono la dispersione dei semi, i frutti diventano altamente pressurizzati a causa dell’accumulo di fluido mucillaginoso.
2. Ridistribuzione dei fluidi: Nei giorni precedenti la dispersione, parte di questo fluido viene ridistribuito dal frutto allo stelo, rendendo lo stelo più lungo, più spesso e più rigido. Ciò fa sì che il frutto ruoti da un angolo quasi verticale ad un angolo vicino a 45°, un elemento chiave necessario per il successo del lancio del seme.
3. Un rapido rinculo: Nelle prime centinaia di microsecondi di espulsione, la punta del gambo si allontana dal frutto, provocando una controrotazione del frutto nella direzione opposta.
4. Lancio variabile: A causa dei componenti sopra indicati, i semi vengono espulsi con una velocità di uscita e un angolo di lancio che dipendono dalla loro sequenza: con i semi successivi, la velocità di uscita diminuisce (perché diminuisce la pressione della capsula del frutto ormai in svuotamento) mentre aumenta l’angolo di lancio ( a causa della rotazione del frutto). Ciò fa sì che i semi iniziali raggiungano la distanza più lontana, mentre i semi successivi atterrano più vicini. Poiché attorno al centro della pianta sono distribuiti più frutti, il risultato complessivo è una distribuzione ampia e quasi uniforme dei semi che coprono un’area a forma di anello ad una distanza compresa tra 2 e 10 m dalla pianta madre.

Insieme, questi componenti costituiscono un sofisticato sistema di dispersione dei semi. In particolare, si ritiene che la ridistribuzione del fluido dal frutto allo stelo sia unica nel regno vegetale.

Utilizzando il modello matematico, i ricercatori hanno esplorato le conseguenze dell’alterazione artificiale di diversi parametri. Ciò ha rivelato che il metodo di proiezione dei semi del cetriolo che spruzza è stato messo a punto per garantire una dispersione quasi ottimale e il successo della pianta nel corso delle generazioni.

Ad esempio, rendendo lo stelo più spesso e rigido, i semi venivano lanciati quasi orizzontalmente, poiché il frutto ruotava meno durante lo scarico. Ciò farebbe sì che i semi venissero distribuiti su un’area più ristretta, con meno probabilità di sopravvivere.

Nel frattempo, la riduzione della quantità di fluido ridistribuito dal frutto allo stelo ha prodotto un frutto eccessivamente pressurizzato, provocando l’espulsione del seme a velocità più elevate ma con un angolo di lancio quasi verticale. Di conseguenza, i semi non verrebbero dispersi abbastanza lontano dalla pianta madre e, ancora una volta, pochi sopravviverebbero.

L’autore Chris Thorogood (vicedirettore e responsabile scientifico dell’Oxford Botanic Garden) ha dichiarato: “Per secoli le persone si sono chieste come e perché questa straordinaria pianta invia i suoi semi nel mondo in modo così violento. Ora, come team di biologi e matematici, abbiamo finalmente iniziato a svelare questo grande enigma botanico.’

Il coautore Dr Derek Moulton (professore di matematica applicata all’Oxford Mathematical Institute) ha dichiarato: “La prima volta che abbiamo ispezionato questa pianta nel giardino botanico, il lancio del seme è stato così veloce che non eravamo sicuri che fosse effettivamente avvenuto. È stato molto emozionante scavare e scoprire il meccanismo di questa pianta unica.’

Secondo il coautore Dr. Finn Box (Royal Society University Research Fellow, Università di Manchester), “Questa ricerca offre potenziali applicazioni nell’ingegneria bio-ispirata e nella scienza dei materiali, in particolare nei sistemi di somministrazione di farmaci su richiesta, ad esempio microcapsule che espellono nanoparticelle”. dove il controllo preciso del rilascio rapido e direzionale è cruciale.’

Ecballium elaterium (pronunciato: eck-palla-ee-uhm elaht-eh-ree-uhm) è un membro della famiglia delle zucche (Cucurbitaceae) che comprende anche melone, zucca, zucca e zucchina. La specie è originaria del Mediterraneo, dove, grazie alla sua efficace strategia di dispersione dei semi, è spesso considerata un’erbaccia. La pianta fu descritta dagli antichi Greci e Romani: il naturalista Plinio il Vecchio (23/24 d.C. – 79 d.C.) disse ‘Salvo che, per prepararlo, il cetriolo venga tagliato prima che sia maturo, il seme sgorga, mettendo in pericolo anche gli occhi.’