Meriam Super Alam: Di Dalam Peluncuran Benih Peledak dari Mentimun yang Menyemprotkan
Penelitian baru telah menunjukkan bagaimana mentimun yang menyemprotkan mencapai penyebaran benih yang efisien melalui sistem peluncuran bertekanan, memberikan wawasan untuk aplikasi yang terinspirasi dari bio.
Sebuah studi baru yang dipimpin oleh[{” attribute=”” tabindex=”0″ role=”link”>University of Oxford has unraveled a centuries-old scientific mystery: the mechanism behind the squirting cucumber’s explosive seed dispersal. The research, which involved a series of experiments, high-speed videography, image analysis, and advanced mathematical modeling, was recently published in The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Unveiling the Dispersal Mechanism
The squirting cucumber (Ecballium elaterium, derived from the Greek ‘ekballein,’ meaning to throw out) is named for its explosive method of seed dispersal. When ripe, the ovoid-shaped fruits detach from the stem and eject the seeds explosively in a high-pressure jet of mucilage. This projectile launch, which lasts just 30 milliseconds, propels the seeds at speeds of up to 20 meters per second, allowing them to land as far as 10 meters away—roughly 250 times the length of the fruit.
Until now, the exact mechanism of the squirting cucumber’s seed dispersal – and how this affects its reproductive success – remained poorly understood. In the new study, researchers from the University of Oxford and the University of Manchester conducted a variety of experiments on Ecballium specimens grown at the University of Oxford Botanic Garden.
This included filming the seed dispersal using a high-speed camera (capturing up to 8600 frames per second), measuring fruit and stem volume before and after dispersal, performing indentation tests and CT scans of an intact cucumber, and monitoring the fruit with time-lapse photography in the days leading up to launch. They then developed a suite of mathematical models to describe the mechanics of the pressurized fruit, the stem, and the ballistic trajectories of the seeds.
Video berwarna berkecepatan tinggi yang menunjukkan keluarnya biji oleh mentimun yang menyemprot (Ecballium elaterium). Video diambil pada 10.000 fps dan diperlambat 400 kali lipat. Kredit: Dominic Vella
Penemuan Penting dan Implikasi Strategis
Dengan menggunakan pendekatan gabungan ini, tim menjelaskan komponen-komponen utama strategi penyebaran pabrik:
- Sistem bertekanan: Pada minggu-minggu menjelang penyebaran benih, buah menjadi bertekanan tinggi karena penumpukan cairan mucilaginous.
- Redistribusi cairan: Pada hari-hari sebelum penyebaran, sebagian cairan ini didistribusikan kembali dari buah ke batang, membuat batang menjadi lebih panjang, tebal, dan kaku. Hal ini menyebabkan buah berputar dari posisi hampir vertikal ke sudut mendekati 45°, yang merupakan elemen kunci yang diperlukan agar peluncuran benih berhasil.
- Sebuah kemunduran yang cepat: Dalam ratusan mikrodetik pertama ejeksi, ujung batang menjauhi buah, menyebabkan buah berputar berlawanan arah.
- Peluncuran variabel: Karena komponen-komponen di atas, benih dikeluarkan dengan kecepatan keluar dan sudut peluncuran yang bergantung pada urutannya: dengan benih berikutnya, kecepatan keluar menurun (karena tekanan kapsul buah yang sekarang kosong berkurang) sedangkan sudut peluncuran meningkat ( karena perputaran buah). Hal ini menyebabkan benih awal akan mencapai jarak terjauh, dan selanjutnya benih akan mendarat lebih dekat. Karena banyak buah tersebar di sekitar pusat tanaman, hasil keseluruhannya adalah sebaran benih yang luas dan hampir seragam, meliputi area berbentuk cincin pada jarak antara 2 dan 10 m dari tanaman induk.
Bersama-sama, komponen-komponen ini membentuk sistem penyebaran benih yang canggih. Secara khusus, redistribusi cairan dari buah kembali ke batang dianggap unik dalam kingdom tumbuhan.
Dampak terhadap Kelangsungan Hidup Tanaman dan Potensi Penerapannya
Para peneliti menggunakan model matematika untuk mengeksplorasi konsekuensi dari perubahan parameter yang berbeda secara artifisial. Hal ini menunjukkan bahwa metode proyeksi benih mentimun penyemprot telah disesuaikan untuk memastikan penyebaran yang mendekati optimal dan keberhasilan tanaman dari generasi ke generasi.
Misalnya, membuat batang lebih tebal dan kaku menyebabkan benih diluncurkan hampir secara horizontal, karena buah akan lebih sedikit berputar saat dikeluarkan. Hal ini akan menyebabkan benih disebarkan ke area yang lebih sempit, sehingga kecil kemungkinannya untuk bertahan hidup.
Sementara itu, berkurangnya jumlah cairan yang didistribusikan dari buah ke batang mengakibatkan tekanan buah berlebih, menyebabkan benih dikeluarkan dengan kecepatan lebih tinggi tetapi sudut peluncurannya hampir vertikal. Akibatnya, benih tidak akan tersebar cukup jauh dari tanaman induknya, dan sekali lagi, hanya sedikit yang dapat bertahan hidup.
Hasil pemindaian tomografi komputer (CT) menunjukkan susunan bagian dalam benih di dalam buah mentimun yang menyemprot. Kredit: Elizabeth Evans
Konteks Sejarah dan Arah Masa Depan
Penulis Dr. Chris Thorogood (Wakil Direktur dan Kepala Sains di Oxford Botanic Garden) mengatakan: “Selama berabad-abad orang bertanya bagaimana dan mengapa tanaman luar biasa ini mengirimkan benihnya ke dunia dengan cara yang begitu kejam. Sekarang, sebagai tim yang terdiri dari ahli biologi dan matematika, kami akhirnya mulai mengungkap teka-teki botani yang besar ini.”
Rekan penulis Dr. Derek Moulton (Profesor Matematika Terapan di Oxford Mathematical Institute) mengatakan: “Pertama kali kami memeriksa tanaman ini di Botanic Garden, peluncuran benihnya sangat cepat sehingga kami tidak yakin apakah itu benar-benar terjadi. . Sangat menarik untuk menggali dan mengungkap mekanisme tumbuhan unik ini.”
Menurut rekan penulis Dr. Finn Box (Rekan Peneliti Universitas Royal Society, Universitas Manchester), “Penelitian ini menawarkan penerapan potensial dalam teknik yang terinspirasi oleh bio dan ilmu material, khususnya sistem pengiriman obat berdasarkan permintaan, misalnya mikrokapsul yang mengeluarkan nanopartikel di mana kontrol yang tepat terhadap pelepasan yang cepat dan terarah sangat penting.”
Ekballium elaterium (diucapkan: eck-bola-ee-uhm elaht-ya-ree-uhm) merupakan anggota keluarga labu-labuan (Cucurbitaceae), yang juga mencakup melon, labu kuning, labu siam, dan labu siam. Itu jenis merupakan tanaman asli Mediterania, dimana – karena strategi penyebaran benihnya yang efektif – tanaman ini sering dianggap sebagai tanaman gulma. Tanaman ini dideskripsikan oleh orang Yunani dan Romawi kuno: naturalis Pliny the Elder (23/24 M – 79 M) berkata: “Kecuali, untuk menyiapkannya, mentimun dibelah sebelum matang, bijinya akan menyembur keluar, bahkan membahayakan. mata.”
Referensi: “Mengungkap rahasia mekanis mentimun yang menyemprotkan” oleh Finn Box, Derek E. Moulton, Dominic Vella, Yuvraj Bhagotra, Tristan Lowe, Alain Goriely dan Chris J. Thorogood, 25 November 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2410420121
