Svampesporer udnytter fysikken til at starte sig selv

Forskere fra Duke University har afsløret den detaljerede mekanik i måden svampesporer har udviklet sig til at udnytte kraften i at fusionere vanddråber til at starte på en ensartet måde.

Svampesporer vokser i enderne af lange, tynde bånd kaldet sterigmas. Når den er voksen, sporerne skal bryde væk og transporteres til et nyt sted for at vokse. Nogle sporer er afhængige af dyr eller deres egen kraft til at rejse. Andre - kaldet ballistosporer - udstødes aktivt fra overfladen af ​​moderorganismen. Og i tilfælde af nogle svampe, vanddråber giver løftet.

For mere end et århundrede siden, Reginald Buller opdagede, at en sfærisk dråbe vand, der dannes tæt på en spore, er afgørende for spores spredning. Kaldt "Buller drop, "dens sammensmeltning med et andet linseformet fald på sporen får sporen til at bryde væk fra dens binding.

"Sporerne lanceres med en massiv kraft i en bestemt retning, næsten som en kanon, "sagde Chuan-Hua Chen, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke. "Og ballistosporekanonen har udviklet sig til at skyde direkte væk fra svampen for at give sporerne den bedste chance for at undslippe."

Selvom dette fænomen var blevet forklaret energisk, de detaljerede mekanismer - især den næsten ensartede retning af sporernes opsendelser - er forblevet et mysterium. I et papir offentliggjort i Journal of the Royal Society Interface den 27. juli, Chen og hans kolleger bruger højhastighedskameraer og en inkjetprinter til at løse gåden.

Den største hindring for at afdække detaljerne om, hvordan vanddråber lancerer disse sporer, har været handlingens hastighed. Selvom det tager flere minutter, før vanddråber vokser sig store nok til start, selve begivenheden tager mindre end et mikrosekund.

"Og desværre er et mikrosekund også tidsopløsningen for de fleste højhastighedskameraer, "Chen sagde." Så mens forskere gjorde nogle fremskridt med at fange den samlede koalescensproces, den detaljerede mekanisme var stadig ikke klar. "

Problemet var en skala og timing, da varigheden af ​​opsendelsen er proportional med størrelsen af ​​Buller-dråbet, hvilket er lillebitte når det kommer til svampesporer.

For at omgå dette problem, Chen og hans team konstruerede deres egne større "sporer" ved at skære en polystyrenkugle til en sporeformet partikel og omhyggeligt orientere modelsporen på en flad overflade. Derefter brugte de en ink-jet-printer til at bygge en større Buller-dråbe direkte ved siden af ​​deres kunstige spore. Med evnen til præcist at kontrollere dråbens størrelse, og dermed dens starthastighed og timing, holdet kunne fange lanceringen med høj opløsning.

Da de så på filmen, detaljerne i lanceringsmekanismen blev tydelige. Når den sfæriske Buller -dråbe slutter sig til den anden dråbe, der spredes på sporen, dråberne mister overfladeareal og frigiver overfladeenergi, giver momentum til lanceringen.

Da den nyligt fusionerede dråbe bevæger sig langs sporens flade overflade, faldbevægelsen flugter hurtigt med orienteringen af ​​sporens flade ansigt. Den fusionerede dråbe udøver friktion på sporen, når den bevæger sig og trækker den væk fra sterigmaet. Lanceringsretningen styres af sporens flade ansigt, som er i samme retning som det slanke sterigma.

"Udgivelsen af ​​energi er så hurtig, at den accelererer hele systemet med en million Gs, men der er så meget luftstræk, at sporen stadig kun bevæger sig et par millimeter højst. Derfor er det så vigtigt for sporerne at skyde direkte væk fra svampen, "Sagde Chen." Ved at forklare mekanismen, der ligger til grund for den næsten perfekte affyringsretning, vores arbejde har endelig kastet lys over dette århundrede gamle puslespil."