Horsetail Equisetum spores with elaters. (Σπόρος με ελατήρια του Equisetum)

Horsetail Equisetum spores with elaters. (Σπόρος με ελατήρια του Equisetum) 
(ΓΕΝΙΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ)

Τα φυτά Equisetum (αλογοουρά) αναπαράγονται παράγοντας μικροσκοπικά σφαιρικά σπόρια που έχουν τυπικά διάμετρο 50 μικρομέτρων. Τα σπόρια έχουν τέσσερα ελάσματα, τα οποία είναι εύκαμπτα δερμάτινα εξαρτήματα που αρχικά τυλίγονται γύρω από το κύριο σώμα των σπορίων και τα οποία αναπτύσσονται κατά την ξήρανση ή την αναδίπλωση πίσω στον υγρό αέρα. Εάν πιστεύεται ότι οι εκτοξευτήρες βοηθούν στη διασπορά, ο ακριβής μηχανισμός για την κίνηση των σπορίων παραμένει ασαφής στη βιβλιογραφία. Σε αυτό το χειρόγραφο παρουσιάζουμε παρατηρήσεις των «περιπάτων» και των «πηδημάτων» των σπόρων Equisetum, που είναι νέοι τύποι μηχανισμών μετακίνησης των σπορίων σε σύγκριση με τους άλλους σπόρους. Οι βόλτες οδηγούνται από κύκλους υγρασίας, όπου κάθε κύκλος προκαλεί ένα μικρό βήμα σε τυχαία κατεύθυνση. Το εύρος διασποράς από το περίπατο είναι περιορισμένο, αλλά ο περίπατος παρέχει τα βασικά βήματα είτε για έξοδο από το χώρο του σπόρου είτε για αναπροσανατολισμό και αναδίπλωση. Τα άλματα εμφανίζονται όταν τα σπόρια ξαφνικά πιέζουν τον εαυτό τους αφού σφίξουν καλά.

Καταλήγουν σε μια πολύ αποτελεσματική διασπορά: ακόμα και οι σπόροι που πηδούν από το έδαφος μπορούν να πιάσουν και πάλι τον άνεμο, ενώ τα σπόρια που δεν είναι άλματα παραμένουν στο έδαφος. Η κατανόηση αυτών των κινήσεων, οι οποίες καθοδηγούνται αποκλειστικά από τις διακυμάνσεις της υγρασίας, μεταφέρει βιο-μιμητική έμπνευση για μια νέα κατηγορία αυτοκινούμενου αντικειμένου.

Στα αλογοουριές, τα ελατήρια είναι τέσσερα εξαρτήματα που μοιάζουν με κορδέλα και είναι προσαρτημένα στα σπόρια. Αυτά τα εξαρτήματα αναπτύσσονται από ένα εξωτερικό σπειροειδές στρώμα του τοιχώματος των σπορίων. Κατά την ωριμότητα, οι τέσσερις λωρίδες αποκολλώνται από τον εσωτερικό τοίχο, εκτός από ένα μόνο σημείο στο σπόριο όπου είναι συνδεδεμένες και οι τέσσερις λωρίδες.

Υπό συνθήκες υγρασίας, οι έλικες στρέφονται σφιχτά γύρω από το σπόριο. Οι υγροί σπόροι τείνουν να κολλούν μεταξύ τους και σε κοντινές επιφάνειες λόγω επιφανειακής τάσης. Όταν οι συνθήκες είναι ξηρές, τα σπόρια δεν κολλάνε πλέον μεταξύ τους και είναι πιο εύκολα διασκορπισμένα. Εκείνη την εποχή, οι εκτοξευτές ξεδιπλώνονται για να εκτείνονται έξω από το σπόριο και θα πιάσουν ρεύματα αέρα. Το γεγονός ότι επεκτείνονται μόνο όταν οι συνθήκες είναι ξηρές σημαίνει ότι η επιτυχής διασπορά των σπορίων είναι πιο πιθανή

Τα φυτά παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα κινήσεων με μια μεγάλη ποικιλία βασικών μηχανισμών. Οι μηχανισμοί διασποράς σπορίων ποικίλουν ευρέως σε φυτά και μύκητες. Ωστόσο, μια κοινή φυσική διαδικασία είναι η γρήγορη εκτόξευση που επιτυγχάνεται με την ξαφνική ρήξη του υλικού. Για παράδειγμα, η διασπορά των σπορίων στον μύκητα στηρίζεται στην ξαφνική ρήξη της διασταύρωσης μεταξύ του σπόρου και του μίσχου του μετά τη συμπύκνωση ενός σταγονιδίου ύδατος ή μετά τη ρήξη του μολυσμένου με ρευστό μίσχο υπό οσμωτική καταπόνηση. Σε βρύα σφάγνου, οι κάψουλες που περιέχουν σπόρ διασπώνται όταν η τάση ξήρανσης είναι υπερβολικά μεγάλη, πράγμα που αποβάλλει ένα πίδακα σπορίων. Αυτές οι κινήσεις μπορούν επίσης να συγκριθούν με την εκρηκτική διασπορά των σπόρων. Στις φτέρες, η ξαφνική κατάρρευση του νερού (σπηλαίωση) στον εύκαμπτο βραχίονα του σποράγγιου καταπέλλει τα σπόρια.

Όπως και οι φτέρες, το Equisetum είναι ένα πολύ αρχαίο φυτό με ισχυρές προσαρμογές. Οι σπόροι τους παρουσιάζουν τέσσερα εξαρτήματα που ανταποκρίνονται στις διακυμάνσεις της υγρασίας. Η λειτουργία του elater είναι να αυξήσει τη διασπορά επειδή ωθεί τα σπόρια και αυξάνει την αεροδυναμική αντίσταση στον άνεμο. Σε αντίθεση με άλλους τύπους σπορίων που αναφέρθηκαν προηγουμένως, η διασπορά δεν συνεπάγεται οποιαδήποτε ρήξη του υλικού.

2. Υγροσκοπική απόκριση

Για να κατανοήσουμε τους μηχανισμούς μετακίνησης και διασποράς των σπόρων Equisetum, πραγματοποιήσαμε μια λεπτομερή μικροσκοπική μελέτη του σχήματος των σπόρων υπό διάφορες συνθήκες υγρασίας. Παρατηρήσαμε ότι τα εξαρτήματα αλλάζουν σαφώς το σχήμα τους. Σε υψηλά επίπεδα υγρασίας, τα πηνία σπείρονται γύρω από το σφαιρικό σώμα. Σε υγρασία μικρότερη από 75%, τα εξαρτήματα αρχίζουν να εκτυλίσσονται και γίνονται ευθεία περίπου στο 50% της σχετικής υγρασίας (RH), οπότε αυτά επεκτείνονται πλήρως. Σε λιγότερο από 50% RH, οι πηνία αναδιπλώνονται και το μέγιστο άνοιγμα των σπορίων ελαττώνεται ελαφρώς.

Αυτές οι αλλαγές είναι πλήρως αναστρέψιμες και μόνο ελαφρά υστέρηση παρατηρήθηκε όταν αυξήθηκε η υγρασία, υποδηλώνοντας ότι το σχήμα των σπορίων αντανακλά την τρέχουσα υγρασία. Οι διακυμάνσεις της υγρασίας που προκαλούν αλλαγές στο σχήμα του ελάτη είναι τυπικές στον οικοτόπο Equisetum όπου η υγρασία είναι υψηλή αλλά μπορεί να μειώνεται περιοδικά, π.χ. λόγω έκθεσης στον αέρα ή στον ήλιο.

Η μεταβολή της καμπυλότητας των εξαρτημάτων μπορεί να γίνει κατανοητή από δομική άποψη, καθώς οι ελαστικοί έχουν δομή δύο στρώσεων. Το εσωτερικό στρώμα αποτελείται από πυκνά διαμήκη μικροϊνίδια κυτταρίνης (παρόμοια με εκείνα των ανώτερων κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτών), ενώ το εξωτερικό στρώμα είναι λιγότερο πυκνό. Από αυτή τη δομή μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το εξωτερικό στρώμα είναι εξαιρετικά πορώδες στο νερό και μεταβολές του όγκου με διακυμάνσεις της υγρασίας. Η αλλαγή διαφορικού όγκου ενός στρώματος σε σχέση με την άλλη είναι υπεύθυνη για τις σημαντικές αλλαγές καμπυλότητας. Έτσι, οι ελάτες είναι ένα παράδειγμα φυσικού «υπομορφώματος». Τέτοια υπομορφώματα περιλαμβάνουν ορισμένους τύπους σπόρων.

Οι εκτοξευτήρες μπορούν να ανοίγουν περιοδικά σε απόκριση σε επαναλαμβανόμενους κύκλους υγρασίας. Η θέση του κέντρου της μάζας κυμαίνεται αλλά δεν επιστρέφει στην ίδια θέση στο τέλος ενός κύκλου. Ως αποτέλεσμα, ο σπόρος «περπατάει» σε τυχαίες κατευθύνσεις. Το εύρος των βημάτων αυτών των περιπάτων είναι μεταβλητό, καθώς ο σπόρος μπορεί να παραμείνει στην ίδια θέση για πολλαπλούς κύκλους πριν βιώσει ένα μεγάλο βήμα αλλά με έναν καλά καθορισμένο μέσο όρο. Εμείς ερμηνεύουμε αυτά τα τυχαία βήματα για να είναι συνέπεια της τριβής με το έδαφος. Πιο συγκεκριμένα, η κινητική τριβή (σε αντίθεση με τη στατική τριβή) συμβαίνει κατά τους κύκλους ανοίγματος / κλεισίματος, όταν οι πηνία μετατοπίζονται στο έδαφος. Η κινητική τριβή δημιουργεί μη αναστρέψιμες αλλαγές επειδή μετατοπίζεται η θέση της στατικής επαφής. Αυτές οι επαναλαμβανόμενες μετατοπίσεις προκαλούν βήματα. Η μεταβλητότητα στον προσανατολισμό των βημάτων αποδίδεται στις μεταβολές των σημείων επαφής αυτού του πολύπλοκου «τετράποδου» κατά τους κύκλους ανοίγματος / κλεισίματος.

from wikipedia and konstantinos p. tsiantis 5/10/2019