Дальность полета семян руэллии объяснили их вращением

Американские ученые исследовали аэродинамику полета семян руэллии Ruellia ciliatiflora после «взрыва» плода, который растение использует в качестве механизма распространения семян. Оказалось, что для увеличения дальности полета дискообразных семян, которая в среднем составляет около семи метров, растение закручивает их с частотой до 1500 оборотов в секунду, пишут ученые в Journal of The Royal Society Interface.

Распространение семян — одна из важных стадий жизненного цикла растений, с помощью которого можно увеличить ареал обитания, найти более благоприятные условия для роста и повысить генетическое разнообразие. Обычно для увеличения дальности переноса семян растения используют животных, которые или съедают сочные плоды, или переносят сухие плоды, прикрепившиеся к ним с помощью крючков или зацепок. Другим помощником при переносе семян могут быть природные явления — ветер или водные потоки. Однако некоторые растения не полагаются на чужую помощь и пытаются увеличить площадь распространения собственными силами, каким-то образом увеличивая скорость и дальность полета семян.

Одно из таких растений — руэллия. Это небольшое цветковое растение из семейства акантовых, которое для распространения семян «взрывает» плод, так что семена с большой скоростью разлетаются в разные стороны — у руэллии вида Ruellia ciliatiflora дальность полета дискообразных семян диаметром в пару миллиметров может достигать семи метров. Американские ученые под руководством Дуайта Уитакера (Dwight L. Whitaker) из Помонского колледжа решили изучить аэродинамику семян Ruellia ciliatiflora, чтобы определить, за счет чего же растению удается «стрелять» семенами на такое большое расстояние.

Для определения параметров траектории семян в полете ученые сняли процесс выстреливания на высокоскоростню камеру со частотой съемки 2 тысячи кадров в секунду. Отдельно ученые измеряли скорость вращения семян. Для этого совсем небольшую часть полета, длящийся всего несколько миллисекунд, записывали со скоростью от 6000 до 20000 кадров в секунду.

Оказалось, что при «выстреле» руэллия запускает семена (которые представляют собой дискообразные частицы средним радиусом 2,5 миллиметра и толщиной 0,45 миллиметра) в среднем под углом 40 градусов к горизонту с начальной скоростью 10 метров в секунду. При этом для стабилизации траектории и снижения аэродинамического сопротивления растение закручивает семена, так что частота их вращения составляла в районе 1300 оборотов в секунду. В отдельных случаях начальная скорость полета достигала 15 метров в секунду, а частота вращения превосходила 1500 оборотов в секунду.

Во время полета дискообразное семечко руэллии ориентировано таким образом, что его плоскость совпадает с плоскостью траектории полета, то есть фактически катится, как колесо. При этом, правда, вращается оно не вперед, а назад (то есть двигается подобно теннисному мячику после резанного удара). Такое вращение позволяет плоскости диска практически не отклоняться от плоскости полета, уменьшать аэродинамическое сопротивление и увеличивать дальность.

Использование вращения для стабилизации полета частиц используется, например, в нарезном оружии, в котором за счет наличия в стволе бороздок удается закручивать пулю, так что на выходе из ствола она вращается с частотой около 3000 оборотов в секунду, что позволяет увеличивать дальность полета и повышать точность выстрелов.

Растениям же такой подход позволяет в среднем запускать семена на расстояние около 7 метров от цветка. Для сравнения, те семена, которые не удалось ориентировать правильным образом, улетают в среднем только на 3 метра, а сферическая частица того же объема — на 5 метров. Кроме того, ученые также измерили подъемную силу, которая действует на семена, но оказалось, что при таких скоростях полета, ее значение довольно невелико и может увеличить дальность полета не больше, чем на несколько сантиметров.

Одним из альтернативных способов распространения семян для небольших растений служат насекомые. При этом некоторые насекомые не только помогают растениям увеличивать расстояние, на которое происходит перенос семян, но и сами «культивируют» отдельные виды растений. Например, муравьи на Фиджи выращивают растения из рода сквамеллярий, которые могут служить для них жилищем и дополнительным источником пищи.

Александр Дубов