새로운 연구에서 폭발적인 오이의 비밀이 밝혀졌습니다.

옥스퍼드 대학이 이끄는 팀이 수세기 동안 과학자들을 사로잡았던 미스터리를 해결했습니다. 뿜어내는 오이는 어떻게 뿜어내는 것일까요? 실험, 고속 영상 촬영, 이미지 분석, 고급 수학적 모델링을 조합하여 얻은 연구 결과가 오늘(11월 25일) 미국 국립과학원 회보(PNAS) 에 게재되었습니다.

분출하는 오이(엑발륨 엘라테리움그리스어로 '던지다'를 의미하는 'ekballein'에서 유래)는 종이 씨앗을 분산시키기 위해 사용하는 탄도 방법에 따라 명명되었습니다. 익으면 난형 모양의 열매가 줄기에서 분리되고 고압의 점액 분출로 씨앗이 폭발적으로 분출됩니다. 단 30밀리초 동안 지속되는 이 발사체 발사로 인해 씨앗은 초당 약 20m의 속도에 도달하고 과일 길이의 최대 250배(약 10m) 거리에 착륙합니다.

지금까지, 뿜어내는 오이의 씨앗 분산의 정확한 메커니즘과 이것이 생식 성공에 어떤 영향을 미치는지는 잘 이해되지 않았습니다. 새로운 연구에서 옥스퍼드 대학교와 맨체스터 대학교의 연구자들은 옥스퍼드 대학교 식물원에서 재배한 에크발리움 표본에 대한 다양한 실험을 수행했습니다.

여기에는 고속 카메라(초당 최대 8600프레임 캡처)를 사용하여 종자 분산을 촬영하고, 분산 전후의 열매 및 줄기 부피를 측정하고, 손상되지 않은 오이의 압입 테스트 및 CT 스캔을 수행하고, 시간에 따른 열매 모니터링이 포함되었습니다. 발사를 앞두고 며칠간 촬영한 사진입니다. 그런 다음 그들은 가압된 과일, 줄기 및 씨앗의 탄도 궤적의 역학을 설명하기 위해 일련의 수학적 모델을 개발했습니다.

이 결합된 접근 방식을 사용하여 팀은 공장 분산 전략의 주요 구성 요소를 설명했습니다.

1. 가압 시스템: 종자가 분산되기까지 몇 주 동안 점액질 액체가 축적되어 과일에 높은 압력이 가해집니다.
2. 유체 재분배: 분산되기 며칠 전에 이 액체의 일부가 과일에서 줄기로 재분배되어 줄기가 더 길고, 두껍고, 뻣뻣해집니다. 이로 인해 과일이 거의 수직에서 45°에 가까운 각도로 회전하게 되는데, 이는 성공적인 종자 발사에 필요한 핵심 요소입니다.
3. 빠른 반동: 배출 후 처음 수백 마이크로초 동안 줄기 끝이 과일에서 멀어지면서 과일이 반대 방향으로 역회전하게 됩니다.
4. 변수 출시: 위의 구성 요소로 인해 씨앗은 순서에 따라 나오는 출구 속도와 발사 각도로 배출됩니다. 후속 씨앗에서는 출구 속도가 감소하는 반면(이제 비어 있는 과일 캡슐의 압력이 감소하기 때문에) 발사 각도는 증가합니다( 과일의 회전으로 인해). 이로 인해 초기 씨앗이 가장 먼 거리에 도달하고 후속 씨앗이 더 가까이 착륙합니다. 여러 개의 열매가 식물 중앙 주위에 분포되어 있기 때문에 전체적인 결과는 모 식물로부터 2~10m 거리에 있는 고리 모양의 영역을 덮고 씨앗이 넓고 거의 균일하게 분포되는 것입니다.

이러한 구성 요소가 함께 정교한 종자 분산 시스템을 구성합니다. 특히, 과일에서 줄기로의 체액 재분배는 식물계 내에서 독특한 것으로 생각됩니다.

연구진은 수학적 모델을 사용하여 다양한 매개변수를 인위적으로 변경한 결과를 조사했습니다. 이는 분출하는 오이의 종자 투사 방법이 거의 최적의 분산과 여러 세대에 걸쳐 식물의 성공을 보장하도록 미세 조정되었음을 보여줍니다.

예를 들어, 줄기를 더 두껍고 단단하게 만들면 씨앗이 거의 수평으로 발사되는 결과를 낳게 되는데, 이는 배출 중에 열매가 덜 회전하기 때문입니다. 이로 인해 씨앗이 더 좁은 지역에 분포되어 생존 가능성이 낮아집니다.

한편, 과일에서 줄기로 재분포되는 액체의 양을 줄이면 과일에 과도한 압력이 가해져 씨앗이 더 빠른 속도로 방출되지만 거의 수직 발사 각도로 방출됩니다. 결과적으로, 씨앗은 모 식물로부터 충분히 멀리 분산되지 않을 것이고, 다시 소수만이 살아남게 될 것입니다.

저자인 크리스 소로굿 박사(옥스퍼드 식물원 부관장 겸 과학 책임자)는 다음과 같이 말했습니다. '수세기 동안 사람들은 이 특별한 식물이 어떻게 그리고 왜 그렇게 폭력적인 방식으로 씨앗을 세상에 보내는지 질문해 왔습니다. 이제 생물학자와 수학자 팀으로서 우리는 마침내 이 엄청난 식물의 수수께끼를 풀기 시작했습니다.'

공동 저자인 Derek Moulton 박사(옥스퍼드 수학 연구소 응용수학 교수)는 다음과 같이 말했습니다. '우리가 식물원에서 이 식물을 처음 조사했을 때 종자 발사가 너무 빨라서 실제로 그런 일이 일어났는지 확신할 수 없었습니다. 이 독특한 식물의 메커니즘을 파헤치고 밝혀내는 것은 매우 흥미로웠습니다.'

공동 저자인 Finn Box 박사(맨체스터 대학교 왕립 소사이어티 연구원)에 따르면, '이 연구는 생체 영감 공학 및 재료 과학, 특히 주문형 약물 전달 시스템(예: 나노입자를 방출하는 마이크로캡슐)에 잠재적인 응용 가능성을 제공합니다. 신속하고 방향성 있는 릴리즈를 정밀하게 제어하는 ​​것이 중요합니다.'

에크발리움 엘라테리움 (발음: eck- ball -ee-uhm elaht- eh -ree-uhm)은 멜론, 호박, 스쿼시, 애호박과 같은 박과(Cucurbitaceae)에 속합니다. 이 종은 지중해 원산으로, 효과적인 종자 분산 전략 덕분에 종종 잡초로 간주됩니다. 이 식물은 고대 그리스인과 로마인에 의해 설명되었습니다. 자연주의자 플리니우스(AD 23/24 - AD 79)는 ' 오이 를 익히기 전에 자르지 않으면 씨앗 이 솟아나 와 눈 을 위험에 빠뜨린다 '고 말했습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241125162946.htm