PNAS解答了一个困扰了科学家们几个世纪的谜团：喷瓜是如何喷水的

　　牛津大学领导的一个研究小组解决了一个困扰了科学家们几个世纪的谜团：喷瓜是如何喷水的？这一发现是通过实验、高速摄像、图像分析和高级数学建模相结合而获得的，发表在今天（11月25日）的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

　　

牛津大学领导的一个研究小组解决了一个困扰了科学家们几个世纪的谜团：喷瓜是如何喷水的？这一发现是通过实验、高速摄像、图像分析和先进的数学建模相结合实现的，发表在今天（11月25日）的《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

喷黄瓜（Ecballium elaterium，来自希腊语“ekballein”，意思是“扔掉”）因该物种使用弹道方法传播种子而得名。成熟时，卵形果实从茎上脱落，并以高压粘液喷射出种子。这种发射持续时间仅为30毫秒，使种子达到每秒20米左右的速度，并在果实长度的250倍（约10米）的距离上着陆。

到目前为止，人们对喷黄瓜种子传播的确切机制——以及这如何影响其繁殖成功率——仍然知之甚少。在这项新研究中，来自牛津大学和曼彻斯特大学的研究人员对牛津大学植物园种植的棘球兰标本进行了各种实验。

这包括使用高速摄像机拍摄种子传播（每秒捕获高达8600帧），测量传播前后的果实和茎的体积，对完整的黄瓜进行压痕测试和CT扫描，并在发射前几天用缩时摄影监测果实。然后，他们开发了一套数学模型来描述受压果实、茎和种子的弹道轨迹的力学。

利用这种综合方法，研究小组阐明了植物扩散策略的关键组成部分：

1. 高压系统：在种子传播前的几周，由于黏液的积累，果实变得高压。

2. 液体再分配：在扩散前的几天，一些液体从果实重新分配到茎中，使茎更长、更粗、更硬。这使得果实从几乎垂直的角度旋转到接近45°的角度，这是成功播种所需的关键因素。

3. 快速后坐力：在弹射的最初几百微秒内，茎尖从果实上弹回，导致果实向相反方向反向旋转。

4. 可变发射：由于上述组件，种子的发射速度和发射角度取决于它们的顺序：随着后续种子的产生，出口速度降低（因为正在排空的果实蒴果的压力降低），而发射角度增加（由于果实的旋转）。这使得最初的种子到达最远的距离，随后的种子降落在更近的地方。由于多个果实分布在植株的中心，总体结果是种子广泛而几乎均匀地分布在距离母株2至10米的环形区域。

这些组成部分共同构成了一个复杂的种子传播系统。特别是，液体从果实重新分配到茎中被认为在植物王国中是独一无二的。

利用数学模型，研究人员探索了人为改变不同参数的后果。这表明，喷黄瓜的种子投射方法已经经过微调，以确保接近最佳的传播和植物在几代之间的成功。

例如，使茎更粗更硬导致种子几乎水平发射，因为果实在发射过程中旋转更少。这将导致种子分布在更窄的区域，存活的可能性更小。

同时，减少从果实重新分配到茎部的液体量会导致果实压力过大，导致种子以更高的速度喷射，但发射角度几乎是垂直的。因此，种子不能传播到离母本植物足够远的地方，而且很少能存活下来。

作者克里斯·瑟罗古德博士（牛津植物园副主任兼科学部主任）说：“几个世纪以来，人们一直在问这种非凡的植物是如何以及为什么以这种暴力的方式将种子传播到世界上的。”现在，作为一个由生物学家和数学家组成的团队，我们终于开始解开这个伟大的植物学之谜。”

合著者德里克·莫尔顿博士（牛津数学研究所应用数学教授）说：“我们第一次在植物园检查这种植物时，种子发射得太快了，以至于我们都不确定它是否真的发生过。”挖掘和揭示这种独特植物的机制是非常令人兴奋的。”

合著者芬恩·博克斯博士（曼彻斯特大学皇家学会研究员）说：“这项研究为生物工程和材料科学提供了潜在的应用，特别是按需给药系统，例如微胶囊喷射纳米颗粒，其中精确控制快速定向释放至关重要。”

elballium elaterium（发音：eck-ball-ee-uhm elaht-eh-ree-uhm）是葫芦科（葫芦科）的一员，葫芦科还包括甜瓜、南瓜、南瓜和小胡瓜。该物种原产于地中海，由于其有效的种子传播策略，它通常被认为是一种杂草。古希腊和罗马人曾描述过这种植物：博物学家老普林尼（公元23/24年-公元79年）说：“除非在黄瓜成熟之前切开，否则种子会冒出来，甚至危及眼睛。”