科学/生活
科学家解开了黄瓜如何爆炸喷射种子的百年之谜
CNN记者明迪·韦斯伯格报道
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美国东部时间2024年11月27日星期三上午7:12发布
高速视频，看起来慢了下来，让研究人员在种子爆炸之前、之中和之后分析喷射的黄瓜。德里克·莫尔顿
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一种奇怪的小葫芦叫做喷射黄瓜，它具有爆炸性的繁殖策略，自罗马帝国时代起就引起了博物学家的兴趣。喷射黄瓜将种子喷射到几百倍于其长度的距离之外，现在科学家们知道了这种植物是如何做到的。
一根喷出的黄瓜是一个非凡的景象，但是如果你眨眼，你可能会错过它——喷发持续了大约0.03秒(30毫秒)。成熟时，这种毛茸茸的绿色水果长约1.6英寸(4厘米)。当它从茎上落下时，它以大约每小时45英里(每秒20米)的速度喷射出种子和粘性液体，种子可以到达大约33英尺(10米)的距离。
喷射黄瓜，学名Ecballium elaterium，遍布地中海和欧洲，以及北非、澳大利亚、亚洲和北美的部分地区。它们是葫芦科(葫芦科)的成员，是西葫芦、南瓜和南瓜的亲戚，但它们的种子喷射在群体中是独特的，在植物中也是罕见的。
古罗马博物学家老普林尼(公元23年至79年)是第一个描述喷射黄瓜的人，他警告说“种子喷出来，甚至危及眼睛。”19世纪的研究提供了黄瓜内部高压发射系统的线索，但直到现在，人们对其种子喷射的细节知之甚少。
喷出的黄瓜种子可以到达距离母体植物大约33英尺的地方。多米尼克·韦拉
最近，研究人员揭开了这个弹道之谜。他们使用高速视频、延时摄影、CT扫描和数字3D重建来分析喷射之前、期间和之后喷射的黄瓜，并创建数学模型来描述水果间歇泉般的喷发。
他们的发现周一发表在《美国国家科学院院刊》上，解释说喷射机制比简单的液体积聚和内部压力释放更复杂。根据这项研究，随着黄瓜的膨胀，爆炸前和爆炸过程中植物的其他物理变化决定了成功种子喷出的角度、高度和距离。
德国科隆马克斯·普朗克植物育种研究所的研究小组组长安吉拉·海伊博士说:“最佳种子传播不仅仅是在果实中建立最大的压力，这是一个新的想法。”Hay以前写过关于爆炸性种子传播的文章，但是没有参与这项新的研究。
相反，Hay在一封电子邮件中告诉CNN，该研究表明，最有效的种子发射依赖于液体积聚的压力和其他为爆发时刻准备果实的明显变化之间的权衡。
一只小小的水枪
这项研究的合著者德里克·莫尔顿博士是英国牛津大学的应用数学教授，他是在2022年夏天被牛津植物园副主任兼科学主管克里斯·索洛古德博士介绍给喷射黄瓜的。
莫尔顿在一封电子邮件中告诉CNN:“我们一起合作过一些其他项目，有着非常好的合作关系。”。“他向我展示了一种植物，它能做一些有趣的事情，然后我试图用数学来理解某个方面。”
索罗古德带莫尔顿和其他研究人员去看牛津花园里喷出的黄瓜，向他们保证这些不起眼的葫芦比它们看起来更奇怪。当它们成熟时，只需轻轻一碰就能触发它们的高能发射。
“我们被迷住了，我们想了解它，”研究合著者德里克·莫尔顿博士在观看了显示种子喷射的高速视频后谈到科学家的反应。多米尼克·韦拉
“他弯下腰，捏了一下，你可以听到一个微小的喷水声，但我们看不到任何事情发生，它太快了，”莫尔顿说。“所以我们带了一些水果回实验室，在那里我们用高速摄像机拍摄了弹射过程。太棒了。我们被迷住了，我们想了解它。”
黄瓜的高速视频仅仅是个开始。研究人员使用CT扫描来研究种子的内部排列，测试植物各部分的硬度，并在种子发射前几天拍摄延时视频，以跟踪茎和果实的物理变化。通过基于他们数据的数学模型，科学家们创造了种子飞行的模拟，并预测它们将在哪里着陆。
“我们的数学框架来自于对种子排出之前和过程中的物理过程的思考，包括对果实和茎干以及它们如何相互作用的数学描述，”莫尔顿说。
抬起并扭转
CT扫描的结果显示了喷出的黄瓜果实内种子的内部结构。伊丽莎白·埃文斯
研究人员观察到，在种子发射前几天，黄瓜内部发生了很多事情。当果实因液体而膨胀时，一些液体也流入茎干，使其变粗变硬，从而使悬挂的果实从接近垂直的悬挂位置上升到大约45度的角度。根据这项研究，从这个角度喷射，而不是直着喷射，对植物来说是更好的策略，使它能够将种子吐得更远。
科学家们还发现，茎干在脱离果实时会随着远离果实而收缩，从而使果实旋转。他们的模型显示，这种旋转会将种子分散成更大的弧形。
“仅仅把种子撒得很远是不够的——如果你想增加其中一些存活下来形成新植物的可能性，你还需要让它们充分传播，”莫尔顿说。“这是整个活动的编排，有助于种子的去向。因为所有的细节都存在于我们的数学模型中，所以我们能够显示出，对于成功的扩散来说，球壳是如何调整的。”
作为葫芦科的一员，这种毛茸茸的绿色水果成熟后长约1.6英寸。克里斯·索罗古德
科学家经常寻找模型生物——某些被充分研究过的物种——来回答生物学问题。但是，海伊说，通过研究较少受到关注的异常值，如喷射黄瓜，也可以学到很多东西。
“许多有趣的特征在模式生物中是找不到的，”她说。”这篇论文展示了我们如何从多样性中学习.”
莫尔顿说，这项新研究还表明，尽管植物通常不会因为奇怪的行为而占据中心位置，但它们仍然可以展示“一些相当惊人的壮举”。
“有多少人曾经把黄瓜和快速运动联系在一起？”他问。“我很高兴能够揭示这种迷人的小黄瓜的机制。”
Mindy Weisberger是一位科学作家和媒体制作人，他的作品出现在《生活科学》、《科学美国人》和《它是如何工作的》杂志上。
