Растения, грибы и мхи не могут самостоятельно перейти на новое место. Зато их споры и семена способны отправляться в путешествие. Ветер и животные помогают расселению, но иногда первый толчок организму приходится создавать самостоятельно.
Так возникает активный выброс — механизм, при котором спора или семя получает заметное ускорение ещё до того, как его подхватит окружающая среда. В распоряжении живых организмов нет мышц или двигателей, поэтому они используют свойства тканей, клеток, воды и воздуха.
Зачем вообще выстреливать споры?
В непосредственной близости от поверхности гриба, листа или мха воздух движется значительно слабее, чем немного выше. Для очень маленькой споры эта тонкая неподвижная прослойка может стать серьёзным препятствием.
Поэтому задача многих механизмов активного выброса вовсе не в том, чтобы отправить спору на километры. Достаточно придать ей начальную скорость и вывести туда, где её уже смогут подхватить воздушные потоки.
Артиллерийский гриб
Один из наиболее эффектных примеров — Sphaerobolus stellatus, который получил название артиллерийского гриба.
В небольшом плодовом теле формируется структура с массой спор. Под ней находится слой ткани, способный накапливать механическое напряжение. Когда система достигает критического состояния, внутренняя поверхность резко выворачивается наружу.
Получается эффект, напоминающий игрушку из вывернутой резиновой полусферы: сначала энергия постепенно запасается, а затем почти мгновенно освобождается. Вместе с этим «щелчком» спороносная масса выбрасывается наружу.
Sphaerobolus способен отправлять спороносную массу на расстояние до нескольких метров — огромную дистанцию по сравнению с размерами самого плодового тела.
Кавитация: когда работает пузырёк
Совсем другой механизм можно встретить у микроскопических грибов. Здесь источником импульса становится кавитация — появление пузырька в жидкости при резком изменении давления.
По мере испарения воды давление внутри клетки может уменьшаться. Возникающий кавитационный пузырёк быстро изменяет состояние системы, освобождая накопленную энергию и создавая короткий механический импульс.
Zygophiala: кавитация плюс пружина
У представителей Zygophiala к изменению давления добавляется ещё один источник энергии — упругость самого конидиеносца.
По мере потери воды он изгибается и оказывается в напряжённом состоянии. Когда происходит резкое изменение давления, изогнутая структура распрямляется подобно маленькой пружине.
В результате спора получает суммарный импульс сразу от нескольких физических процессов.
Сфагнум и пневматическая пушка
Активное распространение спор характерно не только для грибов. Один из наиболее наглядных примеров среди мхов — сфагнум.
Споры созревают внутри округлого спорангия. Его нижняя часть образует воздушную камеру, а верхняя содержит споры.
В солнечную сухую погоду вода постепенно испаряется из стенок. Форма спорангия меняется, а воздух внутри замкнутой нижней камеры оказывается сжат.
Когда крышечка больше не выдерживает внутреннего давления, она отрывается, и облако спор резко выбрасывается вверх.
Микроскопическая катапульта папоротников
У папоротников споры образуются внутри спорангиев, собранных на листьях. Но механизм их раскрытия построен иначе.
При высыхании клетки специального кольца спорангия теряют воду. Их стенки деформируются, кольцо постепенно выгибается назад, словно натягиваемая пружина.
Затем движение становится нестабильным, и система резко меняет положение. Споры получают толчок и вылетают наружу.
Капля Буллера: выстрел с помощью воды
Многие шляпочные грибы используют ещё более тонкий механизм. Их микроскопическим спорам помогают крошечные капли воды.
На поверхности созревшей споры формируется так называемая капля Буллера. Одновременно вода конденсируется и на другой части поверхности. В определённый момент капли соединяются.
Центр массы системы резко смещается, а энергия поверхностного натяжения превращается в движение. Спора отрывается от стеригмы и совершает короткий быстрый прыжок.
Этого небольшого движения оказывается достаточно, чтобы покинуть поверхность гимения и попасть в пространство между пластинками, откуда спору уже может унести воздух.
Pilobolus: давление внутри живой пушки
Ещё один впечатляющий пример — представители рода Pilobolus. Их спороносная структура состоит из тонкого стебелька, расширенной прозрачной области и тёмного спорангия на вершине.
В клетках накапливаются растворённые вещества, что увеличивает осмотическое и тургорное давление. Одновременно верхняя прозрачная часть помогает ориентировать структуру относительно света.
Когда давление становится достаточно высоким, стенка разрывается, и спорангий буквально стартует с вершины спороносца.
Скорость такого запуска может достигать примерно 9 метров в секунду, а дальность — нескольких метров.
В старой литературе Pilobolus традиционно относили к зигомицетам. В современной систематике род относится к Mucoromycota. Поэтому мы не используем встречающееся в некоторых популярных описаниях обозначение Pilobolus как аскомицета.
Растения пользуются похожими принципами
Энергия упругой деформации используется и высшими растениями. Хороший пример — сердечник шершавый (Cardamine hirsuta).
В созревающем стручке разные слои тканей обладают неодинаковыми механическими свойствами. По мере развития в створках постепенно накапливается напряжение.
Система остаётся стабильной до тех пор, пока небольшое нарушение не запускает быстрое изменение формы. Створки почти мгновенно скручиваются, освобождая накопленную энергию и разбрасывая семена.
Главный принцип — сначала накопить энергию
Несмотря на огромное разнообразие конструкций, большинство таких механизмов можно представить одной общей последовательностью.
Сначала система постепенно накапливает энергию. Источником может быть давление жидкости, деформация клеточной стенки, поверхностное натяжение, упругость ткани или изменение формы при высыхании.
Затем удерживающий механизм достигает критического состояния. После этого накопленная энергия освобождается значительно быстрее, чем накапливалась.
Живые конструкции с двумя состояниями
Некоторые растительные механизмы особенно интересны тем, что имеют два устойчивых состояния.
В одном из них структура хранит накопленное напряжение. После небольшого возмущения система перескакивает во второе состояние, сопровождая переход быстрым движением.
Подобную механику можно сравнить с самоскручивающимся браслетом: внешне он неподвижен, пока небольшой изгиб не вызывает почти мгновенную перестройку всей конструкции.
Что объединяет все эти способы
Гриб, мох или растение не обязательно должны обладать подвижными органами, чтобы создать быстрое движение.
Вместо мышц они используют физические свойства собственного тела и окружающей среды: давление, испарение, упругость, изменение геометрии, поверхностное натяжение и фазовые переходы воды.
Особенно удивительно, насколько разные эволюционные линии независимо пришли к похожей инженерной задаче: медленно накопить энергию, удержать её до нужного момента, а затем освободить за долю секунды.
Для спор главное не обязательно улететь далеко сразу. Иногда достаточно всего нескольких миллиметров или сантиметров, чтобы покинуть неподвижный слой воздуха и передать дальнейшее путешествие ветру.
Материал Spora Info подготовлен по мотивам научно-популярного обзора Елены Наймарк «Как растения стреляют семенами, а грибы — спорами» на «Элементах», а также указанных в нём научных публикаций.
- Елена Наймарк. «Как растения стреляют семенами, а грибы — спорами» . Элементы, 28 октября 2024 года.
- Nicholas P. Money. Microballistics in fungi and plants . Current Biology, 2024.
- Aurélia Emonet, Angela Hay. Explosive seed dispersal . Current Biology, 2024.
Иллюстрации на этой странице используются в образовательном контексте. Первичные авторства и источники отдельных изображений указаны в исходной публикации и научных работах.