Исследователи Технологического института Вирджинии обнаружили, что растения пшеницы, «чихающие» от конденсата, могут значительно повлиять на распространение переносимых спорами болезней, таких как листовая ржавчина пшеницы, которая может привести к потере урожая до 20 и более процентов в Соединенных Штатах. США и более высокие средние потери в менее развитых сельскохозяйственных странах.
Исследование, опубликованное 19 июня и размещенное на обложке журнала Королевского общества, является частью трехлетнего гранта, полученного от Национального института продовольствия и сельского хозяйства США для изучения распространение возбудителей болезней пшеницы дождевыми брызгами и прыгающе-капельной конденсацией.
Джонатан Борейко, доцент кафедры машиностроения в Инженерном колледже, является со-главным исследователем гранта, и Дэвид Шмале, профессор патологии растений, физиологии и сорняков в Колледже сельского хозяйства и наук о жизни, является главным исследователем проекта стоимостью почти 500 000 долларов.
«Профессор Шмале видел некоторые из наших работ по конденсации, и ему было любопытно узнать, что мы можем узнать о конденсации на листьях пшеницы», - сказал Борейко. «Проект начался без каких-либо ожиданий, но люди уже знали, что брызги дождя и ветер вызывают удаление патогенных спор с растений и их распространение на другие растения, и мы хотели посмотреть, может ли конденсат также играть роль в распространении спор.."
Студентам, участвовавшим в исследовании, сказали не ожидать прыжков капель в своих тестах на конденсацию, поскольку известно, что капли образуются только на определенных поверхностях, а именно на супергидрофобных поверхностях, обычно связанных с экзотическими материалами, такими как листья лотоса и гекконы. кожа. Супергидрофобные поверхности не смачиваются, и при росте сферического конденсата капли сливаются вместе, освобождая поверхностное натяжение, которое преобразуется в кинетическую энергию, которая отталкивает их от поверхности.
«Концептуально то, что делают растения, - это чихание», - сказал Борейко. «Прыгающие капли со скоростью 100 и более капель в час представляют собой сильное выбрасывание росы с поверхности. Это хорошо для растения, потому что оно удаляет с себя споры, но плохо, потому что, как и при человеческом чихании, жидкость капли попадают на соседние растения. Как и при простуде, легко увидеть, как одно зараженное растение может распространить болезнь на весь урожай».
Документ, первым автором которого являются Саурабх Натх и Фарзад Ахмади, аспиранты инженерной механики в лаборатории Борейко, показал, что прыгающие капли могут значительно увеличить распространение спор болезней.
«Мы хотели выяснить, во-первых, могут ли капли конденсата нести споры, и хотя 90 процентов из них несут только одну спору, мы видели случаи, когда капля несла до 11», - сказал Ахмади..«Мы также смотрели, как высоко могут прыгать споры и могут ли они преодолеть пограничный слой листа».
Пограничный слой толщиной около миллиметра представляет собой область воздуха у поверхности листа, где ветер не влияет на каплю. Если кинетическая энергия от слияния перемещает прыгающую каплю выше пограничного слоя, капля может быть унесена ветром. В зависимости от скорости ветра, капля может быть перенесена на большие расстояния, в том числе на соседние поля или фермы.
«Используя водочувствительную бумагу, мы измерили, как высоко могут прыгать капли», - сказал Ахмади. «Синяя точка на бумаге показывает нам каплю, а красноватая точка показывает нам спору, поэтому таким образом мы можем рассчитать как высоту, так и количество спор в капле».
Капли в тестах Ахмади обычно выпрыгивали с 2-5 миллиметров от поверхности листа, что намного больше расстояния, которое необходимо унести ветру для повторного осаждения в другом месте.
"Важно понимать, что эти капли имеют микроскопический размер", - пояснил Борейко. «Каждая капля примерно такого же размера, как толщина человеческого волоса - около 50 микрометров - так что все это происходит в масштабе, который мы не замечаем. Ветер со скоростью 0,1 метра в секунду может выдержать вес прыгающей капли, тогда как Капля, попадающая прямо на лист, требует ветра со скоростью 10 метров в секунду, что в 100 раз сильнее, чтобы ее можно было удалить. Когда она оказывается на ветру, гипотетически нет предела тому, как далеко ее можно унести."
Низкая скорость ветра, необходимая для переноса капель, означает, что содержащие споры капли росы могут оказать большое влияние на здоровье сельскохозяйственных культур на очень обширной территории. «Теперь мы знаем, что ветер и дождь - не единственные факторы распространения болезней среди сельскохозяйственных культур», - сказал Борейко.
Следующая фаза продолжающегося эксперимента для Борейко и его команды состоит в том, чтобы увидеть, как далеко ветер может разнести спороносные капельки. Используя чувствительную к воде бумагу, разложенную на разном расстоянии от листа пшеницы, команда будет использовать вентиляторы для имитации ветра и сбора данных о распространении капель и спор.