Есть старая фермерская сказка, в которой говорится: «Тихой ночью можно услышать, как растет кукуруза». Это может показаться забавным, но Дуглас Кук из Нью-Йоркского университета и его коллеги Роджер Элмор и Джастин МакМечан из Университета Небраски смогли использовать контактные микрофоны для прямой записи звуков растущей кукурузы.
Кукуруза является ведущей зерновой культурой в США: ежегодно собирают более 350 миллионов метрических тонн. Но отсутствие понимания механизма разрушения стеблей кукурузы, вызванного ветром, препятствует дальнейшему улучшению производства кукурузы. Ученые-агрономы работают над этой проблемой уже более 100 лет, хотя и без особого успеха.
Теперь, применяя инструменты и методы машиностроения, группа инженеров и ученых во главе с Куком добивается успехов в решении этой проблемы, а также в обнаружении других проблем, связанных с ростом и развитием растений.
Во время 172-го собрания Акустического общества Америки и 5-го Совместного собрания с акустическим обществом Японии, которые проходят с 28 ноября по дек. 2 ноября 2016 года в Гонолулу, Гавайи, Кук расскажет о своей работе с использованием методов акустической эмиссии для изучения роста и поломки стеблей кукурузы.
«Разрушение материала очень похоже на микроскопическое землетрясение: внезапный сброс внутренних напряжений посылает звуковые волны во всех направлениях», - объяснил Кук. «Мы используем специальные датчики, называемые пьезоэлектрическими контактными микрофонами, для отслеживания звуков, издаваемых стеблями кукурузы непосредственно перед разрушением. Это помогает нам более четко понять процесс разрушения».
И как это звучит? «Удивительно, но это звучит удивительно похоже на звуки, издаваемые при ломке кукурузы», - сказал Кук.«Теперь мы думаем, что рост растений включает в себя миллионы крошечных поломок, и что эти поломки заставляют растение спешить «ремонтировать» сломанные участки. Постоянно ломая и восстанавливая, растение может расти все выше и выше».
Хотя исследователи еще не определили, верно ли это для всех растений, Кук предположил, что это может быть механизм, аналогичный механизму развития мышц: поднятие тяжестей вызывает крошечные микроразрывы в мышцах и, как они восстанавливаются, мышцы укрепляются.
Это интригующее открытие является результатом слияния двух, казалось бы, несвязанных дисциплин: науки о растениях и машиностроения.
«Каждый год многие урожаи теряются из-за повреждения ветром», - сказал Кук. «Инженеры много знают о том, как предотвратить разрушение конструкции, и, используя методы естественной селекции, ученые могут улучшить практически любую характеристику растения, которую они могут измерить. Таким образом, вы можете себе представить, что благодаря совместной работе этих двух дисциплин можно добиться значительного прогресса в структурной целостности предприятия».
С точки зрения приложений, «это очень молодая область исследований, поэтому большая часть нашей работы по-прежнему носит фундаментальный характер», - сказал Кук. «Мы изучаем рост и ломкость растений, что может быть полезно селекционерам при разработке оптимально спроектированных растений».
Например, они узнали, что листья растений кукурузы на самом деле обеспечивают большую часть структурной поддержки в периоды быстрого роста. По словам Кука, это довольно удивительно - и не та роль, которую обычно должен играть лист. Таким образом, это должно помочь ученым начать разработку новых сортов с более жесткими листьями, которые менее подвержены поломке на этапе роста.
Кук имеет опыт работы в области биомеханики человека, поэтому в настоящее время он и его коллеги используют технологию компьютерной томографии (КТ) для получения трехмерных изображений растений.
«Мы также планируем использовать технологию магнитно-резонансной томографии (МРТ) для визуализации роста и развития кукурузы», - добавил Кук. «Мы хотели бы узнать больше об отказе стебля - с целью определить «самое слабое звено» в процессе отказа стебля. Как только оно будет определено, ученые-растения могут попытаться улучшить прочность и устойчивость стебля».