Катапульта со спорами папоротника побеждена
Папоротники буквально выбрасывают свои споры в мир и удивительно эффективны в этом методе. Ксавье Ноблин из Лаборатории физики конденсированных сред французской исследовательской организации CNRS и его коллеги исследовали, как работает эта рогатка для растений. Согласно этому, две противоборствующие силы в конечном итоге имеют решающее значение для запуска спор.
В своих экспериментах ученые снимали листья золотисто-пятнистого папоротника (Phlebodium aureum) на высокоскоростную камеру. Под листьями папоротника находятся небольшие коробочки, наполненные спорами. Эти контейнеры со спорами окружает так называемое кольцо, состоящее из 12-13 клеток с очень толстыми внутренними и промежуточными стенками, но тонкими внешними стенками.
Изначально клетки наполнены большим количеством воды, но по мере созревания спор постепенно высыхают. В результате их объем уменьшается. Перегородки теперь сближаются все ближе и ближе друг к другу, в то время как слабая внешняя стена прогибается все больше и больше. Наконец, весь ряд клеток разгибается гармошкой, при этом споровик открывается в заданной точке - катапульта заряжается.
Давление внутри клеток меняется за счет испарения воды. При достижении критического значения возникает явление кавитации: в ячейках образуются пузырьки воздуха, после чего они расширяются до исходного размера. Начиная с одной клетки, другие кольцевые клетки следуют за ней по типу эффекта домино. Сильные внутренние стенки теперь действуют как натянутая пружина и примерно за десять микросекунд изгибают ряд клеток в противоположном направлении - вскоре после этого споры выбрасываются из раскрытой споровой капсулы со скоростью до десяти метров в секунду.
В этом процессе кольцо закрывается только на 30-40 процентов и не полностью возвращается к своей первоначальной форме - аналогично средневековой катапульте, хотя и снабженной перекладиной, чтобы приспособить рычаг к остановке на полпути. Без этого механизма катапульта выстрелила бы своим зарядом прямо в землю. Ноблин и его коллеги теперь исследовали, как вариант на основе растений - по-видимому, без каких-либо перекладин - решает эту проблему. Они нашли то, что искали, в губчатой структуре кольца, что приводит к двум различным фазам при его закрытии.
Во-первых, упругая энергия, запасенная в клеточном ряду, преобразуется в кинетическую энергию, споры ускоряются. Форма кольца меняется за микросекунды - слишком быстро для хранящейся в нем воды, которая должна протекать через крошечные поры в толстых клеточных стенках. В результате плечо рычага, нагруженное шпорами, резко тормозится и высвобождает свой заряд. Только через несколько сотен миллисекунд вода уходит, и кольцевое пространство закрывается примерно на 85 процентов. Ноблин и его команда в восторге от того, что дюжина выстроенных в ряд ячеек способна воспроизвести все функции средневековой катапульты.