Биология

Культ из вращения: самые высокие обороты природы

Ученые выяснили, что быстрее всего вращается в живой природе

Отдел «Наука»

Ученые измерили самые высокие обороты в живой природе. Видеосъемка показала, что семена дикой петунии, разлетаясь, вращаются с частотой 1600 оборотов в секунду.

Распространение семян — ключевая фаза развития всех растений, залог выживания, успеха в борьбе с заболеваниями, освоении новых территорий и природных ниш. Стратегии и ухищрения, к которым прибегают разные виды растений, чтобы распространить свои семена как можно дальше от себя, различны и порой весьма сложны.

Растения, которым удается распространять свои семена на максимальные расстояния, как правило, полагаются на воду, ветер или животных, благодаря которым они могут «путешествовать» на тысячи километров. Среди растений, которые не полагаются на сторонних «агентов» для распространения семян, есть те, что прибегают к методу баллистихории —

то есть разбрасыванию их с высокой скоростью. Некоторым из них удается метать семена на расстояние до шестидесяти метров.

А плоды некоторых видов в ходе эволюции приобрели строение, позволяющее метать семена под оптимальным углом для увеличения дальности полета. Необычное эволюционное приспособление у растений вида Ruellia ciliatiflora выявили ученые из Помона-колледжа (США).

Ruellia — род цветущих растений, обычно известных как ruellias или дикие петунии. Ruellia ciliatiflora — многолетнее растение, родиной которого является Латинская Америка, позднее интродуцированное в юго-восточные штаты США. Плоды его имеют эллипсовидную форму и состоят из двух половинок длиной примерно три сантиметра. Созревший плод содержит примерно двадцать дискообразных семян диаметром 2,5 миллиметра и ориентируется строго вертикально.

Каждое семя вылетает из так называемого прилипальца, которое имеет специальный желобок, который направляет полет. В момент раскрытия плода по вертикальному шву сверху вниз прилипальце ускоряет семена, при этом прикладываемая сила действует немного ниже их центра тяжести, придавая закручивающий момент.

Чтобы детально изучить быстропротекающий момент раскрытия плода и выстреливания семян, ученые использовали высокоскоростную съемку, позволяющую снимать процесс с частотой 20 тысяч кадров в секунду.

Анализ съемки показал, что семена выбрасываются с ускорением 100000 м/c2.

В среднем большинство семян выстреливает под углом 40 градусов к горизонту, что близко оптимальному углу для максимальной дальности полета снаряда при движении в среде с сопротивлением.

Кроме того, была замечена явная линейная зависимость между скоростью семян и придаваемым им вращением. Так, оказалось, что самые легкие и самые быстрые семена раскручивались до огромных частот,

совершая за одну секунду до 1660 оборотов.

Многие организмы, известные биологам, являются носителями определенных рекордов — скорости, массы, и других физических параметров. Так вот, теперь ученые уверены, что нашли пример самого быстрого вращательного движения среди объектов живой природы. Среди ранее изученных семян других растений высокоборотистыми семенами отличаются Ruellia megachlamys, которые раскручиваются до 500 оборотов в секунду.

Вообще же в живой природе до недавнего времени рекорд частоты вращения принадлежал бактерии Vibrio alginolyticus,

жгутиковый двигатель которой при температуре 35 градусов вращается с частотой 1500 Герц и позволяет ей передвигаться в среде.

Для сравнения: скорость вращения современных ультразвуковых бормашин составляет порядка 10 тыс. Герц.

«Нашей первой реакцией было: почему эти семена не летят, как фрисби?», — поясняет Дуайт Уайтекер, соавтор работы, опубликованной в журнале Journal of the Royal Society Interface.

Оказалось, что плоскость вращения семян задается строением плода — они вращаются в вертикальной плоскости в направлении, противоположном вектору их скорости. Ученые считают, что бешеное вращение придает устойчивости разлетающимся семенам, позволяя лететь с минимальным лобовым сопротивлением, а, значит, долго сохранять скорость полета.

Кроме того, вращение именно в этом направлении и в вертикальной скорости позволяет семенам вращаться наподобие гироскопа и мешает аэродинамическим силам создавать прецессию, мешающую движению. Многочисленные эксперименты доказали это предположение — выяснилось, что быстро закрученные семена, спиннеры, разлетаются на расстояние до семи метров, что в два раза превосходит дальность разлета невращающихся семян.