زمانی که میوه رسیده‌ی خیار فورانی مدیترانه‌ای (با نام علمی Ecballium elaterium) منفجر می‌شود، این صحنه در یک چشم به هم زدن رخ می‌دهد — مگر اینکه آن را با سرعت ۱۰٬۰۰۰ فریم در ثانیه فیلم‌برداری کنید.
مطالعه‌ای جدید از «بخش ریخت‌شناسی عملکردی و بیومکانیک» دانشگاه کیل آلمان، با استفاده از همین فناوری در کنار توموگرافی میکرو سی‌تی با وضوح بالا، راز این پدیده را آشکار کرده است.
این پژوهش نشان می‌دهد که این گیاه چگونه خود را برای یکی از تماشایی‌ترین روش‌های پخش دانه در قلمرو گیاهان آماده می‌کند.
چرا خیار فورانی منفجر می‌شود؟
گیاهانی که دانه‌های خود را زیر سایه‌ی گیاه مادر رها می‌کنند، برای جذب نور، آب و مواد مغذی با مشکل مواجه می‌شوند. در نتیجه، روند تکامل روش‌هایی را ترجیح می‌دهد که دانه‌ها را به فاصله‌های دورتری پراکنده کند — از طریق باد، حیوانات یا در موارد نادر، از طریق نیروی مکانیکی.
خیار فورانی در آن دسته‌ی سوم جای می‌گیرد. زمانی که میوه‌ی پر از آب این گیاه به بلوغ می‌رسد، فشار درون آن افزایش می‌یابد و به ناگاه یک جریان چسبناک حاوی ۳۰ دانه را با سرعتی خیره‌کننده پرتاب می‌کند.
هلن گورجز، دانشجوی دکتری و سرپرست این پروژه در کیل، می‌گوید:
«برای پخش مؤثر دانه‌ها، عوامل زیادی باید به‌طور دقیق با هم هماهنگ شوند و در عین حال، کل گیاه خیلی زود نابود نشود.»
هدف این پژوهش، رمزگشایی از همین عوامل و ارائه در کنفرانس سالانه «انجمن زیست‌شناسی تجربی» در آنتورپ، بلژیک بود.
تصویربرداری سه‌بعدی از فرآیند رسیدن میوه
تیم تحقیقاتی در کیل، ابتدا با استفاده از میکرو-سی‌تی، میوه‌های سالم را اسکن کردند تا مدل‌های سه‌بعدی از ساختار داخلی آن‌ها تهیه کنند.
اسکن‌های مرحله به مرحله در طول فرآیند رسیدن، نشان دادند که بافت‌های درون میوه چگونه از یک استوانه‌ی سبز و سفت، به یک محفظه‌ی فشار زیستی آماده‌ی انفجار تبدیل می‌شوند.
سپس با تصویربرداری از میوه‌های منفجرشده، وضعیت بعد از انفجار نیز با همان دقت بالا ثبت شد. این کار به پژوهشگران اجازه داد تا نحوه‌ی تغییر شکل و گسیختگی بافت‌ها را در میلی‌ثانیه‌های قبل از انفجار محاسبه کنند.
فیلم‌برداری همزمان با دوربین‌های فوق‌سریع، فریم‌های گمشده‌ی این رویداد را تکمیل کرد.
گورجز توضیح می‌دهد:
«انفجار میوه را با ویدیوهایی در سرعت ۱۰۰۰ و ۱۰٬۰۰۰ فریم بر ثانیه ثبت کردیم تا سرعت و فاصله‌ی پرتاب دانه‌ها را اندازه‌گیری کنیم.»
این فیلم‌ها نشان داد که هر دانه با سرعتی حدود ۲۹ مایل بر ساعت (۱۳ متر بر ثانیه) از انتهای میوه خارج می‌شود، پیش از آن‌که نیروی جاذبه آن را به سمت زمین بکشد.
هدف‌گیری میوه قبل از انفجار
بر اساس اصول بالستیک کلاسیک، برای پرتاب یک جسم از سطح زمین، زاویه‌ی ۴۵ درجه بیشترین برد افقی را به همراه دارد — البته اگر مقاومت هوا صفر باشد.
اما چون دانه‌ها از ارتفاعی بالاتر از سطح زمین پرتاب می‌شوند و درگیر مقاومت هوا هستند، زاویه‌ی بهینه کمی بیشتر است.
اندازه‌گیری‌ها نشان داد که در روزهای آخر رسیدن میوه، دم کوتاه میوه به‌تدریج صاف شده و در نهایت زاویه‌ی ۵۳ درجه نسبت به افق را ایجاد می‌کند.
این عدد تقریباً برابر با زاویه‌ی بهینه‌ی ۵۰ درجه است که برای جرم دانه‌ها و سرعت خروج آن‌ها در این گیاه محاسبه شده بود.
گورجز اضافه کرد:
«تصاویر دوره‌ای را در طول رسیدن میوه‌ها تحلیل کردیم تا انحنای دم و زاویه‌ی میوه نسبت به دم را اندازه‌گیری کنیم.»
نتیجه این بود که گیاه به‌طور فعال بافت دم میوه را بازسازی می‌کند تا در لحظه‌ی مناسب، هر کپسول دانه را در مسیری نزدیک به زاویه‌ی ایده‌آل پرتاب کند.
خروج دانه‌ها با نظم دقیق
تصاویر با سرعت بالا نشان داد که دانه‌های خیار فورانی همواره از انتهای قاعده‌ی میوه، در جهت نوک‌به‌جلو پرتاب می‌شوند. این نظم در خروج احتمال برخورد دانه‌ها در جریان شتاب‌دار را کاهش می‌دهد و میزان مقاومت هوا را کمتر می‌کند.
پس از فرود، یک ویژگی جالب دیگر وارد عمل می‌شود: پوشش دانه‌ها، ژلی مخاطی تولید می‌کند که هنگام خشک شدن، خاصیت چسبندگی پیدا می‌کند.
این پوشش چسبناک باعث می‌شود دانه‌ها به ذرات خاک بچسبند و احتمال شسته شدن آن‌ها توسط آب کم شود. علاوه بر این، این لایه‌ی ژلی، رطوبت موضعی را حفظ می‌کند که مزیتی مهم برای جوانه‌زنی در زیستگاه‌های خشک خیار فورانی به‌شمار می‌رود.
میوه به‌مثابه یک بمب فشار
برآورد فشار درونی میوه از طریق اندازه‌گیری چگالی در میکرو-سی‌تی نشان داد که میوه مانند یک مخزن هیدرولیکی عمل می‌کند.
آب جذب شده از گیاه مادر، حفره‌های درونی را متورم می‌کند و همزمان ضخیم شدن دیواره‌های سلولی خارجی، جداره‌ی میوه را سفت می‌کند.
وقتی تنش درونی از استحکام بافت‌ها فراتر می‌رود، درز ضعیف اطراف ساقه مانند یک دیسک قابل گسیختگی از پیش تعیین‌شده شکافته می‌شود و فشار انباشته شده، ژل درونی و دانه‌ها را در کسری از ثانیه به بیرون می‌راند.
هلن گورجز می‌گوید:
«تماشای این انفجارها در ویدیوهای پرسرعت واقعاً جذاب است. چون در زمان واقعی عملاً چیزی دیده نمی‌شود.»
در فیلم‌های ۱۰٬۰۰۰ فریم بر ثانیه، یک جریان آشفته به قوس‌هایی زیبا تبدیل می‌شود که پژوهشگران توانستند مسیر هر دانه را تا فاصله ۱۲ متری (۳۹ فوت) ردیابی کنند — رکوردی چشمگیر برای جسمی کوچک‌تر از یک دانه برنج.
الهام برای رباتیک نرم و پزشکی
ترجمه‌ی این سامانه‌ی پرتاب طبیعی به فناوری انسانی، به حوزه‌ای نوظهور در رباتیک نرم و مهندسی پزشکی تبدیل شده است.
در خیار فورانی، انرژی محرک در ژلی غنی از آب ذخیره می‌شود. مفهومی که می‌تواند مبنای تولید محرک‌های هیدروژلی آینده در جراحی‌های میکروسکوپی یا رهایش هدفمند دارو قرار گیرد.
گورجز توضیح می‌دهد:
«در رباتیک نرم، سامانه‌های رهایش دارو و ابزارهای مشابه، استفاده از سامانه‌های پرتاب انرژی‌کارآمد یک ضرورت است.»
شبیه‌سازی جداره‌ی کامپوزیتی میوه یا ژل خودبسته‌شونده‌ی آن می‌تواند به طراحی محرک‌هایی منجر شود که انرژی الاستیک یا هیدرولیکی را با ایمنی ذخیره کنند و در لحظه‌ای دقیق آزاد کنند.
سامانه‌ی پرتاب طبیعت در اوج کارآمدی
از صاف شدن تدریجی ساقه برای بهینه‌سازی زاویه‌ی پرتاب گرفته تا پوشش دانه‌ها که جوانه‌زنی را تسهیل می‌کند، Ecballium elaterium نمونه‌ای از آن است که چگونه تکامل می‌تواند چند ویژگی را در یک سامانه‌ی پراکندگی کارآمد تلفیق کند.
تیم دانشگاه کیل، با ترکیب تصویربرداری پرسرعت و توموگرافی اشعه ایکس، این ویژگی‌ها را از مقیاس سلولی تا زیست‌محیطی ترسیم کرده است.
این یافته‌ها فقط یک کنجکاوی تکاملی نیستند، بلکه نقشه‌ی راهی را در اختیار مهندسان قرار می‌دهند که می‌توانند در آینده ابزارهای مینیاتوری با قابلیت پرتاب سریع بسازند.
