Hochgeschwindigkeitsanalyse enthüllt die ballistische Präzision der Spritzgurke

Neue Forschungen zur Biomechanik der explosiven Samenverbreitung bei Spritzgurken (Ekballium elaterium) zeigt, wie diese Pflanzen eine Reihe einzigartiger Eigenschaften entwickelt haben, die ihre Samen weit und schnell verbreiten. Die Forschungsergebnisse wurden von Helen Gorges auf der Jahreskonferenz der Society for Experimental Biology in Antwerpen vorgestellt.

Die Verbreitung von Samen erfolgt auf vielfältige Weise. Über die Verbreitung durch Tiere, Wind und Wasser ist viel bekannt – über die selbstbeschleunigten Ausbreitungsmechanismen von Pflanzen hingegen weniger. Eine davon ist die ballistische Verbreitung der Spritzgurke, die ihre Samen durch Hochdruckexplosionen mit hoher Geschwindigkeit über weite Distanzen ausstößt.

Der leitende Forscher, Helen Gorges, ist Doktorandin mit dem Schwerpunkt funktionelle Morphologie und Biomechanik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Hier nutzt sie modernste Bildgebungstechnologien wie Hochgeschwindigkeitsvideografie und Mikro-Computertomographie, um schnelle Pflanzenbewegungen zu verstehen.

Diese dramatische botanische Darbietung ist eines der spektakulärsten Beispiele der Natur für die ballistische Samenverbreitung, eine Strategie, die sich unabhängig entwickelt hat. über mindestens 23 Pflanzenfamilien trotz seiner Seltenheit im Pflanzenreich.

„Viele Faktoren müssen perfekt zusammenspielen, um die Samen möglichst effizient zu verbreiten, ohne dabei die ganze Pflanze zu früh zu zerstören“, sagt Gorges.

Um den direkten Wettbewerb um Raum und Ressourcen zwischen Eltern- und Nachkommenpflanzen zu reduzieren, besteht ein evolutionärer Antrieb für Pflanzen, ihre Samen so weit wie möglich zu verbreiten. Die Forschung von Frau Gorges zielte darauf ab, die Mechanismen zu erforschen, die die Reifung der Gurkenfrüchte steuern und ihre Chancen auf eine erfolgreiche Verbreitung maximieren.

Frau Gorges und ihr Team nutzten Mikrocomputertomografie, um ein 3D-Modell der gesamten Frucht zu erstellen. Zudem nutzten sie Mikro-CT-Bildgebung und Hochgeschwindigkeitsvideo, um die explodierende Frucht detailgetreu zu erfassen. „Wir haben die Explosion der Frucht mit Hochgeschwindigkeitsvideos mit 1,000 und 10,000 Bildern pro Sekunde aufgezeichnet, um die Geschwindigkeit der Samen und die möglichen Aufnahmedistanzen zu berechnen“, so Frau Gorges. „Wir analysierten außerdem Bilder während der Reifung der Früchte, um die Krümmung des Fruchtstiels und den Winkel zwischen Frucht und Stiel zu messen.“

Neuere Forschungen anderer Botaniker haben gezeigt, dass es vor der Explosion eine intensive Interaktion zwischen Frucht und Stiel gibt. Obwohl Druck nötig ist, um die Samen herauszudrücken, fanden Box und Kollegen heraus, dass es eine Bewegung von Flüssigkeit von der Frucht zum StielDadurch wird die Position der Frucht verändert und der Zündwinkel verbessert.

Gorges und Kollegen stellten außerdem fest, dass sich der Fruchtstiel während der Reifung aufrichtet. Sie beobachteten, dass sich dabei ein durchschnittlicher Winkel von 53° bildet, der nahe am theoretisch perfekten Winkel von 50° liegt, der die Schussdistanz maximieren würde.

Das Team fand heraus, dass die Samen Geschwindigkeiten von bis zu 29 Kilometern pro Stunde und Schussweiten von bis zu zwölf Metern erreichen können. „Es ist superinteressant, die Explosionen in Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zu beobachten, da sie viel zu schnell stattfinden, um in Echtzeit etwas zu sehen!“, sagt Frau Gorges.

Darüber hinaus stellte das Team fest, dass die Samen immer in die gleiche Richtung aus der Frucht austreten und bei Nässe eine schleimige Schicht bilden, die ein Klebstoff, wenn er trocknet und verbessert die Bedingungen für die Keimung.

Ein Rätsel für Botaniker ist, dass die ballistische Ausbreitung trotz ihrer Effektivität bei Pflanzen selten ist. Die Arbeit von Gorges und Kollegen könnte dazu beitragen, dies zu erklären, indem sie Wissenschaftlern ein besseres Verständnis des Aufwands für die Entwicklung spezialisierter Ausbreitungsorgane sowie der Einschränkungen hinsichtlich Größe und Form der Samen vermittelt.

Die Forschung wird nicht dazu beitragen, eine noch leistungsfähigere und tödlichere Gurke zu entwickeln. Vielmehr bieten die Ergebnisse potenzielle Anwendungsmöglichkeiten für bioinspirierte Startsysteme wie hydrogelbasierte Aktuatoren für medizinische Instrumente und Mikroroboter. „Es gibt auch viele Anwendungen in der Softrobotik, in Medikamentenverabreichungssystemen und ähnlichen Geräten, bei denen energieeffiziente Startsysteme gefragt sind“, sagt Frau Gorges.

Titelbild: Nahaufnahme einer spritzenden Gurke, Ekballium elaterium. Bild: Mohamed Haddad / Canva.