Исследователи из Университета Дьюка раскрыли подробную механику того, как грибковые споры эволюционировали, чтобы использовать силу слияния капель воды для запуска единым образом.
Споры грибов растут на концах длинных тонких нитей, называемых стеригмами. После созревания споры должны отделиться и переместиться в новое место для роста. Некоторые споры полагаются на животных или свою собственную силу для путешествия. Другие, называемые баллистоспорами, активно выбрасываются с поверхности родительского организма. А в случае некоторых грибов, взлет обеспечивают капли воды.
Более века назад Реджинальд Буллер обнаружил, что сферическая капля воды, образующаяся рядом со спорой, имеет решающее значение для ее распространения. Названная «каплей Буллера», ее слияние с другой каплей в форме линзы на споре приводит к тому, что спора отрывается от своей привязи.
«Споры выбрасываются с огромной силой в определенном направлении, почти как пушка», - сказал Чуан-Хуа Чен, доцент кафедры машиностроения и материаловедения Университета Герцога. «И баллистоспоровая пушка эволюционировала, чтобы стрелять прямо в сторону от грибка, чтобы дать спорам наилучший шанс убежать».
Хотя это явление было объяснено энергетически, детальные механизмы - в частности, почти одинаковое направление запуска спор - остались загадкой. В статье, опубликованной в Journal of the Royal Society Interface 27 июля, Чен и его коллеги используют высокоскоростные камеры и струйный принтер для решения загадки.
Основным препятствием для раскрытия деталей того, как капли воды запускают эти споры, была скорость действия. Хотя каплям воды требуется несколько минут, чтобы вырасти до размеров, необходимых для взлета, само событие занимает меньше микросекунды.
«К сожалению, микросекунда также является временным разрешением для большинства высокоскоростных камер», - сказал Чен. «Поэтому, несмотря на то, что исследователи добились определенного прогресса в изучении общего процесса слияния, детальный механизм все еще не ясен».
Проблема заключалась в масштабе и сроках, поскольку продолжительность запуска пропорциональна размеру капли Буллера, которая является крошечной, когда речь идет о грибковых спорах.
Чтобы обойти эту проблему, Чен и его команда сконструировали свои собственные более крупные «споры», разрезав полистироловую сферу на частицу в форме споры и аккуратно расположив модельную спору на плоской поверхности. Затем они использовали струйный принтер, чтобы создать большую каплю Буллера прямо рядом с их искусственной спорой. Имея возможность точно контролировать размер капли и, следовательно, скорость и время ее взлета, команда смогла запечатлеть запуск с высоким разрешением.
Когда они посмотрели фильм, стали очевидны детали механизма запуска. Когда сферическая капля Буллера присоединяется ко второй капле, распределенной по споре, капли теряют площадь поверхности и высвобождают поверхностную энергию, обеспечивая импульс для запуска.
По мере того, как только что слитая капля движется вдоль плоской поверхности споры, движение капли быстро выравнивается с ориентацией плоской поверхности споры. Слившаяся капля оказывает трение на спору при ее движении и отрывает ее от стеригмы. Направление запуска определяется плоской стороной споры, которая находится в том же направлении, что и тонкая стеригма.
Энергия высвобождается настолько быстро, что ускоряет всю систему на миллион g, но сопротивление воздуха такое сильное, что спора перемещается максимум на несколько миллиметров. Вот почему так важно, чтобы споры стреляли прямо из грибка, - сказал Чен. - Объясняя механизм, лежащий в основе почти идеальной направленности запуска, наша работа, наконец, пролила свет на эту загадку вековой давности».