العلماء يحلّون لغزًا عمره قرون حول كيفية انطلاق بذور الخيار بشكل انفجاري

تمتلك قرعة صغيرة غريبة تسمى الخيار المتدفق استراتيجية تكاثر متفجرة أثارت اهتمام علماء الطبيعة منذ أيام الإمبراطورية الرومانية. فالخيار المتدفق يقذف بذوره على مسافات تفوق طوله بمئات المرات، والآن يعرف العلماء كيف تفعل النباتات ذلك.

إن الخيار المتدفق أثناء العمل هو مشهد رائع، ولكن إذا رمشت بعينيك، فقد يفوتك ذلك - حيث يستمر الانفجار حوالي 0.03 ثانية (30 ميلي ثانية). عندما تنضج، يبلغ طول الثمرة الخضراء المشعرة حوالي 1.6 بوصة (4 سنتيمترات). وعندما تسقط من الساق، تقذف نافورة من البذور والسائل اللزج بسرعة حوالي 45 ميلاً في الساعة (20 متراً في الثانية)، وتصل البذور إلى مسافات تصل إلى حوالي 33 قدماً (10 أمتار).

ويوجد خيار التدوير، المعروف أيضاً بالاسم العلمي Ecballium elaterium، في جميع أنحاء البحر الأبيض المتوسط وأوروبا، وفي أجزاء من شمال أفريقيا وأستراليا وآسيا وأمريكا الشمالية. وهي تنتمي إلى فصيلة القرعيات (القرعيات) وهي من أقارب الكوسة والقرع، لكن نفاثات بذورها فريدة من نوعها في المجموعة ونادرة بين النباتات.

كان عالم الطبيعة الروماني القديم بليني الأكبر (23 إلى 79 ميلادية) أول من وصف الخيار المتدفق، محذراً من أن "البذور تتدفق حتى أنها تهدد العينين". قدمت الدراسات التي أجريت في القرن التاسع عشر أدلة حول نظام الإطلاق الداخلي عالي الضغط للخيار، ولكن حتى الآن، لم تكن تفاصيل تدفقات البذور الخاصة به مفهومة بشكل جيد.

في الآونة الأخيرة، كشف الباحثون هذا اللغز الباليستي على نطاق واسع. فقد استخدموا فيديو عالي السرعة وتصويراً فوتوغرافياً بفاصل زمني ومسحاً بالأشعة المقطعية وإعادة بناء رقمية ثلاثية الأبعاد لتحليل تدفقات الخيار قبل وأثناء وبعد التدفق، كما ابتكروا نماذج رياضية لوصف اندفاعات الثمار الشبيهة بالسخانات.

وتوضح النتائج التي توصلوا إليها، والتي نُشرت يوم الاثنين في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم، أن آلية التدفق أكثر تعقيدًا من مجرد تراكم بسيط للسائل وإطلاق الضغط الداخلي. فبالإضافة إلى احتقان الخيار، هناك تغيرات فيزيائية أخرى في النبات قبل وأثناء الانفجار شكلت زاوية وارتفاع ومسافة قذف البذور الناجح، وفقًا للدراسة.

وقالت الدكتورة أنجيلا هاي، قائدة مجموعة بحثية في معهد ماكس بلانك لأبحاث تربية النباتات في كولونيا بألمانيا: "إنها فكرة جديدة أن نثر البذور الأمثل لا يتعلق فقط ببناء أكبر قدر من الضغط في الثمرة". وقد كتبت هاي سابقًا عن تشتت البذور المتفجرة لكنها لم تشارك في البحث الجديد.

بدلاً من ذلك، قالت هاي لشبكة سي إن إن في رسالة بالبريد الإلكتروني، تشير الدراسة إلى أن إطلاق البذور الأكثر فعالية يعتمد على المفاضلة بين الضغط الناتج عن تراكم السوائل والتغيرات المميزة الأخرى التي تهيئ الثمرة لتلك اللحظة الانفجارية.

'رشة صغيرة جداً'

شارك في الدراسة الدكتور ديريك مولتون، أستاذ الرياضيات التطبيقية في جامعة أكسفورد البريطانية، وقد تعرف على الخيار المتدفق في صيف عام 2022 من قبل كبير مؤلفي الدراسة الدكتور كريس ثوروغود، نائب مدير ورئيس قسم العلوم في حديقة ومشتل أكسفورد النباتية.

قال مولتون لشبكة CNN في رسالة بالبريد الإلكتروني: "لقد عملنا على بعض المشاريع الأخرى معًا، وتربطنا علاقة تعاونية جيدة حقًا". "لقد أراني نباتًا يقوم بشيء مثير للاهتمام، ثم أحاول استخدام الرياضيات لفهم بعض الجوانب."

أحضر ثوروغود مولتون وباحثين آخرين لرؤية الخيار المتدفق في حديقة أكسفورد، وأكد لهم أن القرع المتواضع كان أكثر غرابة مما يبدو عليه. فعندما كانت ناضجة، كان كل ما يتطلبه الأمر هو لمسة واحدة لإطلاقها بقوة عالية.

قال مولتون: "لقد انحنى وضغط على إحداها، وكان بإمكانك سماع صوت رش صغير جداً، لكننا لم نتمكن من رؤية أي شيء يحدث، فقد كان الأمر سريعاً جداً". "لذا أخذنا بعض الفواكه إلى المختبر، حيث قمنا بتصوير عملية القذف بكاميرات عالية السرعة. كان الأمر مذهلاً. لقد تعلقنا بها، وأردنا أن نفهمها."

كانت مقاطع الفيديو عالية السرعة للخيار مجرد البداية. واستخدم الباحثون الأشعة المقطعية لدراسة الترتيب الداخلي للبذور، واختبروا صلابة أجزاء النبات والتقطوا مقاطع فيديو بفاصل زمني في الأيام التي تسبق إطلاق البذور لتتبع التغيرات الفيزيائية في السيقان والثمار. وباستخدام نماذج رياضية مبنية على بياناتهم، ابتكر العلماء نماذج محاكاة للبذور وهي تطير وتوقعوا أين ستهبط.

قال مولتون: "جاء إطار عملنا الرياضي من التفكير في فيزياء العملية، قبل وأثناء قذف البذور، وتضمن وصفًا رياضيًا لكل من الثمرة والساق وكيفية تفاعلهما".

الرفع والالتواء

لاحظ الباحثون أنه قبل أيام من إطلاق البذور، كان هناك الكثير مما يحدث داخل الخيار. فبينما كانت الثمار تنتفخ بالسوائل، كان بعض من هذا السائل يتدفق أيضًا إلى الساق، مما أدى إلى زيادة سماكة الساق وتصلبها بحيث ترتفع الثمرة المتدلية من وضع التدلي شبه العمودي إلى زاوية 45 درجة تقريبًا. ووفقًا للدراسة، فإن التدلي من هذه الزاوية، بدلًا من التدلي بشكل مستقيم، هو استراتيجية أفضل للنبات، مما يمكنه من قذف البذور إلى مسافة أبعد.

كما رأى العلماء أيضًا أن الساق تعطي الثمرة دورانًا أثناء انفصالها، وذلك عن طريق الانكماش بعيدًا عن الثمرة. وأظهرت نماذجهم أن هذا الدوران من شأنه أن يفرق البذور في قوس أوسع.

قال مولتون: "لا يكفي أن تطلق بذورك بعيدًا فحسب - فأنت تريد أيضًا أن تنتشر بشكل جيد إذا كنت تريد زيادة احتمال بقاء بعضها على قيد الحياة لتكوين نباتات جديدة". "هناك هذا التنسيق الكامل للنشاط الذي يساهم في تحديد المكان الذي تذهب إليه البذور. وبما أن كل هذه التفاصيل تعيش في نموذجنا الرياضي، فقد تمكنا من إظهار مدى دقة ضبط الإيكاليوم من أجل التشتت الناجح."

غالبًا ما يتطلع العلماء إلى الكائنات الحية النموذجية - أنواع معينة مدروسة جيدًا - للإجابة على الأسئلة البيولوجية. ولكن هناك أيضًا الكثير مما يمكن تعلمه من خلال دراسة الكائنات الشاذة التي تحظى باهتمام أقل، مثل الخيار المتدفق، كما قالت هاي.

وقالت: "لا توجد العديد من السمات المثيرة للاهتمام في الكائنات الحية النموذجية". "وتوضح هذه الورقة البحثية كيف يمكننا التعلم من التنوع."

وتوضح الدراسة الجديدة أيضًا أنه على الرغم من أن النباتات لا تحتل عادةً مركز الصدارة في السلوك الغريب، إلا أنها لا تزال قادرة على إظهار "بعض المآثر المدهشة جدًا"، كما قال مولتون.

"كم عدد الأشخاص الذين ربطوا الخيار بالحركة السريعة؟ "لقد كنت سعيدًا جدًا لمجرد أن أكون قادرًا على اكتشاف شيء ما حول آلية هذا الخيار الصغير الرائع."