眨眼间，你可能会错过这株喷射黄瓜 (Ecballium elaterium) 弹出种子的速度。这种自然奇观背后的机制一直是生物学上一个难以破解的难题。现在，通过结合实验、复杂的数学建模和高速相机，英国牛津大学和曼彻斯特大学的研究团队深入探究了喷射黄瓜喷射种子的奥秘。Ecballium elaterium 利用四个关键组成部分成功地传播其种子，这些组成部分经过数千年的演化，以确保种子有最佳的生存机会。研究结果详细发表在2024年11月25日于《美国国家科学院院刊》(PNAS) 上发表的一项研究中。
“几个世纪以来，人们一直在问，这种非凡的植物为何以及如何以如此剧烈的方式将种子传播出去，”该研究的合著者、牛津植物园副园长兼科学主管克里斯·索罗古德（Chris Thorogood）在一份声明中说。“现在，作为一名生物学家和数学家的团队，我们终于开始解开这个伟大的植物学谜团。”
视频：计算机断层扫描（CT）结果，显示了喷射黄瓜果实中种子的内部结构。图片来源：Elizabeth Evans
什么是喷射黄瓜？
Ecballium elaterium 是葫芦科的一员，该科还包括甜瓜、南瓜和西葫芦。它原产于地中海地区，由于其种子传播和繁殖能力很强，经常被视为杂草。古罗马人和希腊人就已经对其进行过描述。大约在公元77年，罗马作家兼博物学家老普林尼写道：“除非在成熟前将其切开，否则种子会喷射出来，甚至可能危及眼睛。” 他的著作涉及自然历史。
成熟时，喷射黄瓜会从茎上脱落，并通过高压粘液射出种子。在短短30毫秒内，它就能以每秒约65英尺的速度射出种子。其实现这一壮举的方式令科学家们困惑了几个世纪。
“我们第一次在植物园检查这种植物时，种子发射速度太快了，我们不确定它是否真的发生了，”该研究的合著者、牛津大学应用数学家德里克·莫尔顿（Derek Moulton）在一份声明中说。
压力之下
在这项新研究中，来自牛津大学和曼彻斯特大学的研究团队对在牛津大学植物园培育的Ecballium 标本进行了一系列实验。
他们使用高速相机拍摄了种子传播过程，该相机每秒可捕捉高达8600帧。然后，他们测量了传播前后果实和茎的体积，进行了压痕测试，对完整的黄瓜进行了CT扫描，并对种子发射前的几天进行了延时摄影监测。
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基于这些数据，他们开发了一套数学模型来描述加压果实、茎和种子弹道轨迹的力学原理。这种综合方法帮助他们确定了喷射黄瓜传播策略的关键组成部分——压力系统、流体重新分配、快速回缩和可变发射。
在种子传播前的几周内，粘液状液体积聚并形成一个压力系统，类似于空气压缩机或潜水罐。这种压力有助于种子以极快的速度释放。
然后，在传播前的几天里，一部分液体会从果实重新分配到茎中。这使得茎变长、变粗、变硬。当液体重新分配时，果实会从几乎垂直的角度旋转到大约45度的角度。这个锐角是成功发射种子的关键因素，因为它平衡了植物的垂直和水平元素。
在喷射的最初几百微秒内，茎的尖端会从果实处回缩。这种闪电般的快速回缩会使果实向相反方向旋转。
种子的发射速度和角度取决于它们的释放顺序。种子的弹出速度会减小，因为空空的果实囊的压力会降低。同时，由于果实的旋转，发射角度会增加。因此，最早发射的种子会飞得最远，而后面的种子则会落在离植物更近的地方。这种广泛的传播区域确保了更多的种子有机会生存。
虽然植物中心周围分布着多个果实，但种子广泛且近乎均匀的分布覆盖了距离母株约6.5至32英尺的环状区域。
将这些因素结合起来，构成了一个复杂的种子传播系统。从果实向茎中重新分配液体，被认为是在植物界独一无二的。
一切为了种子
一旦研究团队开发了该传播过程的数学模型，他们就探索了改变过程不同部分会发生什么。他们发现，喷射黄瓜的种子投射方法已经进行了优化，以确保近乎最佳的种子传播，从而使该植物在后代中获得成功。
例如，使茎变粗变硬会导致种子几乎水平发射，因为在发射过程中果实的旋转会减少。这些种子将分布在更狭窄的区域，存活的可能性较小。
与此同时，减少从果实重新分配到茎的液体量会导致果实过度加压。这会以更高的速度弹出种子，但发射角度接近垂直。这种组合会导致种子无法 dispersal 到离亲本植物足够远的地方，因此存活的种子会很少。
除了破解一个生物学奥秘之外，阐述这一过程还可能对人类医学产生未来的应用。
“这项研究为仿生工程和材料科学提供了潜在的应用，特别是按需药物输送系统，例如微胶囊，可将纳米颗粒喷射到需要精确控制快速、定向释放的部位，”该研究的合著者、曼彻斯特大学物理学家芬恩·博克斯（Finn Box）在一份声明中说。
