Революция растений - Стефано Манкузо

Весной семена Аистника цикутного выбрасываются в атмосферу благодаря давлению, постоянно возрастающему по мере созревания и изменения формы семенной коробочки.

Конечно, все знают о работе зондов Pathfinder и Spirit, марсоходов Opportunity и Curiosity, отправленных на Марс в последние годы. Совсем недавно совершил полет спускаемый аппарат Philae, который 12 ноября 2014 года сел на поверхность кометы 67P Чурюмова-Герасименко.

Основной целью отправки этих аппаратов было именно исследование поверхности планеты и взятие образцов с определенной глубины. Обнаружение воды, даже в форме льда, под поверхностью планеты, определение химического состава почвы, и потенциальная возможность обнаружения микроскопических следов жизни – таковы были цели миссий, и поэтому технология бурения космического тела стала приоритетом для всех космических агентств мира.

Устройство, посылаемое в космос, должно отвечать множеству критериев, но среди них принципиально важными являются два: оно должно весить как можно меньше и потреблять минимум энергии. Вес устройства и его энергоемкость служат двумя главнейшими ограничениями для космических технологий. Именно поэтому семечко Аистника цикутного представляет такой интерес для космических технологий – его структура позволяет ему иметь минимальный вес, а энергии оно не потребляет вовсе. Представьте, если бы нам удалось воспроизвести те биологические решения, которые позволяют ему перемещаться.

Аистник стремится распространить свои семена на как можно большие площади, как и все растения. Материнское растение совершенно не заинтересовано в том, чтобы быть окруженным себе подобными; наоборот, оно применяет всевозможные уловки, чтобы отправить потомство как можно дальше. Эта стратегия имеет значительные преимущества с эволюционной точки зрения: к примеру, она позволяет избежать конкуренции между соседними, соперничающими за источники энергии, растениями.

Растения изобрели сотни различных способов, как распространить свои семена в окружающей среде, тем самым обеспечивая наилучшие возможности для выживания. Аистник предложил свое решение проблемы – его плодовая коробочка просто взрывается. Семена группируются в ней так, чтобы механическая энергия накапливалась, как в сжатой пружине. Эта энергия возрастает до тех пор, пока не происходит случайное нарушение равновесия, например, на коробочку присаживается насекомое, его задевает проходящий зверек или просто ее толкает порыв ветра, и тогда семена высвобождаются взрывным манером. Они буквально катапультируются на многие метры от материнского растения; те же, которые умудрились зацепиться за шерсть животного, могут проехать на нем многие километры и осесть совсем в другой местности.

А на земле начинается второй этап приключений семечка: длинный усик (семя аистника по форме напоминает сперматозоид) начинает удлиняться, в зависимости от влажности воздуха. Усик и щетинки позволяют семечку перемещаться до тех пор, пока оно не обнаружит трещинку в почве, и помогают ему погрузиться туда верхушкой вниз. Разница между дневным и ночным уровнями влажности создает необходимое давление, которое позволяет семени погрузиться в почву.

Спираль, в которую скручен усик, раскручиваясь, заталкивает семя все глубже и глубже в почву; а его остроконечная форма ускоряет и облегчает это движение. Через несколько дней, то есть после ряда колебаний дневной/ночной влажности, семя достигает оптимального положения – на глубине в несколько сантиметров; и оно готово прорастать и формировать новое растение.

Теперь, когда вы узнали, какими удивительными способностями обладает семечко аистника, вы можете представить, почему исследования Камиллы и ее коллег по группе Advanced concepts team заняли почти год – они изучили в деталях стратегию и механизмы, разработанные этим удивительным растением. Для разработки основ конструкции самодвижущихся и внедряющихся в почву зондов, которые можно было бы использовать в исследовательских миссиях без присутствия человека, оказались очень важны знания о способности семян проникать в разные почвы с помощью механических приемов, вполне воспроизводимых на Луне, Марсе или астероидах.

Для исследования всех этих многочисленных движений пришлось использовать различные технологии видеосъемки. Аистник некоторые движения совершает крайне медленно, и для их фиксации потребовалось применить методы, изобретенные Пфеффером, а для исследования сверхбыстрых движений, чтобы иметь возможность понять все в деталях, пришлось снять видео, которое потом можно было просматривать в очень медленном темпе. Анализ медленных движений, особенно тех, что совершаются уже на поверхности почвы, потребовал использования покадровой съемки, специально разработанной для визуализации процесса ввинчивания семени в почву за счет разницы между уровнями дневной и ночной влажности. Для того чтобы снять процесс выброса семян и их приземления на почву, пришлось применить специальную видеотехнику скоростной съемки.

Это не было тривиальной задачей. В нашей лаборатории мы все – эксперты по покадровой съемке, но у нас нет никакого опыта съемки скоростных процессов, необходимой для изучения процесса взрыва семенной коробочки. Подобные съемки требовали иной аппаратуры и иных навыков, нам пришлось учиться этому с нуля. Поначалу у нас не было никаких идей, как снять сам момент взрыва: предлагались самые разные решения, от достаточно наивных, разработанных нами, до весьма причудливых, предложенных нам друзьями, заходившими в лабораторию и чувствовавших себя обязанными дать совет.

В конце концов, предложений накопилось больше, чем требовалось, мы просто тонули в них. Главная проблема заключалась в том, что нам недостаточно было заснять один или парочку выбросов семян: нам надо было снять в буквальном смысле тысячи подобных «взрывов», причем при разных температурах и показателях влажности, на разных почвах, имитирующих по возможности внеземные условия. Нам нужна была вдобавок техника, которая бы позволяла заставить семена вылетать по команде, в момент полной готовности необходимых условий эксперимента.

Прошел почти месяц, а у нас не было никакого решения, кроме самого простого – отправить экспериментатора с камерой ждать, пока растение само решит «взорваться». Нам нужны были тысячи фотографий в секунду, снятых с высоким разрешением, то есть объем информации должен был бы превысить все разумные пределы (многие гигабайты в секунду). У нас не было хранилищ для такого объема данных, а ведь для исследований понадобились бы часы съемки! Мы оказались в тупике. За месяц мы обессмертили всего парочку «взрывов» семенной коробочки аистника, а идей, что делать дальше, не было. Пока не наступил один прекрасный день, когда решение пришло совершенно неожиданно (или, точнее, по счастливой случайности), и его принес школьник, пришедший в лабораторию на экскурсию. Все, кто приходят в лабораторию, будь они юными студентами или пожилыми дамами, обязаны прослушать краткую инструкцию о том, как надо себя вести в научном учреждении, и что нельзя ничего трогать. Этот запрет помогает, как избежать повреждения тонких инструментов или вмешательства в эксперимент, так и несчастных случаев с посетителями. Но, к счастью, в этот раз один из школьников решил нарушить запрет.