قم بالتسجيل في النشرة الإخبارية للعلوم Wonder Theory على قناة CNN. استكشف الكون بأخبار الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.
تمتلك يقطينة صغيرة غريبة تسمى الخيار المتدفق استراتيجية تكاثر متفجرة أثارت اهتمام علماء الطبيعة منذ أيام الإمبراطورية الرومانية. ينشر الخيار المتدفق بذوره على مسافات تبلغ مئات أضعاف طولها، والآن يعرف العلماء كيف تقوم النباتات بذلك.
يُعد مشهد الخيارة المتدفقة أثناء الحركة مشهدًا رائعًا، ولكن إذا طرفت عينك، فقد تفوتك الرؤية – يستمر الثوران حوالي 0.03 ثانية (30 مللي ثانية). عندما تنضج، يبلغ طول الفاكهة الخضراء المشعرة حوالي 1.6 بوصة (4 سم). عندما يسقط من الجذع، يطلق ينبوعًا من البذور والسائل اللزج بسرعة حوالي 45 ميلًا في الساعة (20 مترًا في الثانية)، مع وصول البذور إلى مسافات تبلغ حوالي 33 قدمًا (10 أمتار).
يوجد الخيار البخاخ، المعروف أيضًا بالاسم العلمي Ecballium elaterium، في جميع أنحاء البحر الأبيض المتوسط وأوروبا، وفي أجزاء من شمال إفريقيا وأستراليا وآسيا وأمريكا الشمالية. وهم أعضاء في عائلة القرع (Cucurbitaceae) وأقارب الكوسة والقرع والقرع، ولكن نفاثات بذورهم فريدة من نوعها في المجموعة ونادرة بين النباتات.
كان عالم الطبيعة الروماني القديم بليني الأكبر (23 إلى 79 م) أول من وصف خيار البخ، محذرًا من أن “البذور تنفجر، مما يعرض العينين للخطر”. قدمت الدراسات التي أجريت في القرن التاسع عشر أدلة حول نظام الإطلاق الداخلي عالي الضغط للخيار، ولكن حتى الآن، لم تكن تفاصيل طفرات البذور مفهومة جيدًا.
يمكن أن تصل بذور الخيار المتدفق إلى مسافات تبلغ حوالي 33 قدمًا من النبات الأم. – دومينيك فيلا
في الآونة الأخيرة، كشف الباحثون عن هذا اللغز الباليستي على نطاق واسع. استخدموا الفيديو عالي السرعة، والتصوير الفوتوغرافي بفواصل زمنية، والأشعة المقطعية، وعمليات إعادة البناء الرقمية ثلاثية الأبعاد لتحليل الخيار المتدفق قبل وأثناء وبعد البخ، وقاموا بإنشاء نماذج رياضية لوصف ثوران الفاكهة الشبيهة بنبع الماء الساخن.
توضح النتائج التي توصلوا إليها، والتي نشرت يوم الاثنين في مجلة Proceedings of the National Academy of Sciences، أن آلية التدفق أكثر تعقيدًا من تراكم بسيط للسائل وإطلاق الضغط الداخلي. إلى جانب احتقان الخيار، فإن التغيرات الفيزيائية الأخرى في النبات قبل وأثناء الانفجار شكلت زاوية وارتفاع ومسافة نفث البذور الناجحة، وفقًا للدراسة.
وقالت الدكتورة أنجيلا هاي، رئيسة مجموعة بحثية في معهد ماكس بلانك لأبحاث تربية النباتات في كولونيا بألمانيا: “إنها فكرة جديدة أن التوزيع الأمثل للبذور لا يتعلق فقط ببناء أكبر قدر من الضغط في الفاكهة”. سبق أن كتب هاي عن انتشار البذور المتفجرة، لكنه لم يشارك في البحث الجديد.
وبدلاً من ذلك، قال هاي لشبكة CNN في رسالة بالبريد الإلكتروني، إن الدراسة تشير إلى أن إطلاق البذور الأكثر فعالية يعتمد على المفاضلة بين الضغط الناتج عن تراكم السوائل والتغيرات المميزة الأخرى التي تجهز الثمرة لتلك اللحظة الانفجارية.
“بخ صغير جدًا”
تم تعريف المؤلف المشارك في الدراسة الدكتور ديريك مولتون، أستاذ الرياضيات التطبيقية في جامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة، بالخيار البخاخ في صيف عام 2022 من قبل مؤلف الدراسة الكبير الدكتور كريس ثوروغود، نائب المدير ورئيس قسم العلوم في جامعة أكسفورد النباتية. حديقة ومشتل.
وقال مولتون لشبكة CNN عبر البريد الإلكتروني: “لقد عملنا في بعض المشاريع الأخرى معًا، ولدينا علاقة تعاون جيدة حقًا”. “لقد أراني نباتًا يفعل شيئًا مثيرًا للاهتمام، ثم أحاول استخدام الرياضيات لفهم بعض الجوانب.”
أحضر ثوروغود مولتون وباحثين آخرين لرؤية الخيار المتدفق في حديقة أكسفورد، وأكد لهم أن القرع المتواضع كان أكثر غرابة مما يبدو عليه. عندما كانت ناضجة، كل ما يتطلبه الأمر هو لمسة لبدء إطلاقها عالي الطاقة.
وقال مولتون: “لقد انحنى وضغط على أحدهم، وكان بإمكانك سماع بخة صغيرة، لكننا لم نتمكن من رؤية أي شيء يحدث، كان الأمر سريعًا جدًا”. “لذلك أخذنا بعض الفاكهة إلى المختبر، حيث قمنا بتصوير عملية القذف بكاميرات عالية السرعة. لقد كان مذهلاً. لقد انبهرنا وأردنا أن نفهم الأمر”.
كانت مقاطع الفيديو عالية السرعة للخيار مجرد البداية. استخدم الباحثون الأشعة المقطعية لدراسة الترتيب الداخلي للبذور، واختبار صلابة أجزاء النبات، والتقطوا مقاطع فيديو بفواصل زمنية في الأيام التي سبقت إطلاق البذور لتتبع التغيرات الجسدية في السيقان والفواكه. باستخدام النماذج الرياضية المبنية على بياناتهم، أنشأ العلماء محاكاة للبذور أثناء طيرانها وتنبأوا بالمكان الذي ستهبط فيه.
وقال مولتون: “جاء إطارنا الرياضي من التفكير في فيزياء العملية، قبل وأثناء إخراج البذور، وتضمن أوصافًا رياضية لكل من الفاكهة والساق وكيفية تفاعلهما”.
ارفع و تطور
لاحظ الباحثون أنه قبل أيام من إطلاق البذور، كان هناك الكثير مما يحدث داخل الخيار. وبينما كانت الثمار تتضخم بالسوائل، تدفق بعض هذا السائل أيضًا إلى الجذع، مما أدى إلى تكثيفه وتصلبه بحيث ارتفعت الثمرة المتدلية من وضع التعليق شبه العمودي إلى زاوية تبلغ حوالي 45 درجة. وفقًا للدراسة، يعد التدفق من هذه الزاوية، بدلًا من الاتجاه المستقيم، استراتيجية أفضل للنبات، مما يمكنه من بصق البذور لمسافة أبعد.
ورأى العلماء أيضًا أن الجذع أعطى الثمرة دورانًا أثناء انفصالها عن طريق الانكماش بعيدًا عن الثمرة. وأظهرت نماذجهم أن هذا الدوران من شأنه أن يشتت البذور في قوس أوسع.
قال مولتون: “لا يكفي إطلاق بذورك بعيدًا فحسب، بل تريد أيضًا نشرها جيدًا إذا كنت تريد زيادة احتمالية بقاء بعضها على قيد الحياة لصنع نباتات جديدة”. “هناك هذا التنسيق الكامل للنشاط الذي يساهم في تحديد المكان الذي تذهب إليه البذور. وبما أن كل هذه التفاصيل موجودة في نموذجنا الرياضي، فقد تمكنا من إظهار مدى دقة ضبط الإكباليوم من أجل تشتيت ناجح.
أحد أفراد عائلة القرع، يبلغ طول الفاكهة الخضراء المشعرة حوالي 1.6 بوصة عندما تنضج. – كريس ثوروجود
غالبًا ما يتطلع العلماء إلى نماذج الكائنات الحية – أنواع معينة تمت دراستها جيدًا – للإجابة على الأسئلة البيولوجية. ولكن هناك أيضًا الكثير مما يمكن تعلمه من خلال دراسة القيم المتطرفة التي تحظى باهتمام أقل، مثل الخيار المتدفق، كما يقول هاي.
وقالت: “لم يتم العثور على العديد من السمات المثيرة للاهتمام في الكائنات الحية النموذجية”. “توضح هذه الورقة كيف يمكننا التعلم من التنوع.”
توضح الدراسة الجديدة أيضًا أنه على الرغم من أن النباتات لا تسيطر عادةً على السلوك الغريب، إلا أنها لا تزال قادرة على إظهار “بعض الأعمال البطولية المذهلة”، كما قال مولتون.
“كم عدد الأشخاص الذين ربطوا بين الخيار والحركة السريعة؟” سأل. “لقد كنت سعيدًا جدًا لأنني تمكنت من اكتشاف شيء ما حول آلية عمل هذا الخيار الصغير الرائع.”
ميندي وايزبرجر كاتبة علمية ومنتجة إعلامية ظهرت أعمالها في مجلة Live Science وScientific American ومجلة How It Works.
لمزيد من الأخبار والنشرات الإخبارية لـ CNN، قم بإنشاء حساب على CNN.com