Перед нами открываются удивительные возможности, позволяющие создать самые удивительные механизмы. К примеру, мы в настоящее время ищем возможность использовать это явление для питания датчиков, мониторящих электрическую активность деревьев. Но это не единственный способ использования полученных знаний. Системы подобного типа (которые, как вы можете заметить, имеют совсем крошечные размеры), вшитые в одежду, или в любые используемые нами в быту ткани, могут сделать их источниками энергии или чем-то вроде датчиков. Можно вообразить, как одежда, соприкасаясь с нашим телом, выдает нам клинические данные о состоянии организма или уровне стресса; занавески подают сигналы об атмосфере в комнате, или других параметрах нашего жилища. Совсем скоро все это вполне может стать реальностью, и значительная часть новых технологий или материалов будет основана на особенностях жизни растений.
Возможности пассивного движения растений на этом не заканчиваются. Можно упомянуть еще один способ двигаться, используемый растениями (с помощью длинных и тонких усиков, которые есть у многих трав), и в основе которого тоже лежит изменение влажности. Некоторые виды овса, такие как Овес бесплодный, Овес пустой и Овес бородатый, растущие в сельской местности или вдоль дорог, скручивают и раскручивают длинные усики в зависимости от влажности.
Род Avena (Овес) включает в себя множество видов, произрастающих в Европе, Африке и Азии. Многие из них используются в сельском хозяйстве уже тысячи лет, и служат пищей для людей и животных.
Долгое время подобные принципы использовались для создания точных гигрометров[11]. Кстати, вы можете достаточно просто сделать свой собственный гигрометр, и увидите, как увеличение влажности воздуха способно спровоцировать движение. Как же его сделать? Вот несколько практических советов. Возьмите центральную часть усика овса, закрученную в спираль, и закрепите один из его концов в центре диска, на который нанесена шкала в угловых градусах. На другой конец прикрепите щепку или какой-нибудь другой указатель из твердого и легкого материала. Закройте самодельный прибор стеклом – вы стали обладателем точного природного гигрометра, единственный минус которого – недолговечность. Сохранность усика имеет ограничения, и его надо время от времени заменять.
Семечко-попрыгунчик: Аистник цикутовый
Среди всех возможных пассивных движений, которые можно обнаружить у растений – а среди них есть весьма странные – ни одно, на мой взгляд, не может соперничать по степени оригинальности с движениями семян Аистника обыкновенного, которые разлетаются в момент отделения от материнского растения, и умудряются зацепиться за шкуру проходящего мимо животного, прыгают на землю и скачут, пока не найдут подходящую ямку в земле, чтобы там закрепиться. Такую последовательность действий трудно реализовать даже для существ, обладающих запасом собственной энергии и невозможно вообразить для неживых тканей.
Аистник обыкновенный – член семейства гераниевых (Geraniaceae) и родственник распространенного цветка, живущего на балконах. Он произрастает во многих регионах мира. Своим именем он обязан тому, что его плоды формой напоминают клюв аиста, а листья – листья цикуты. Кстати, и другие представители этого семейства имеют названия, намекающие на сходство с птичьим клювом. Само слово «герань» происходит от греческого géranos (журавль), а название одного из родов, относящихся к этому семейству, «пеларгония» – от греческого pelargòs, то есть аист.
Аистник цикутовый (семейство гераниевых) – травянистое однолетнее или двухлетнее растение родом из Средиземноморского бассейна.
Но вернемся к нашему аистнику: это однолетнее травянистое растение, довольно широко распространенное, цветет лиловыми цветами с пятью лепестками. Самое удивительное в нем – семена. Каждое семечко состоит из собственно семечка, длинного и заостренного, как конец гарпуна, и длинного усика, закрученного спиралью и покрытого волосками. Каждая из этих частей, как можно убедиться, имеет особую функцию в удивительной цепи передвижений семян.
Мой интерес к аистнику возник совсем недавно, после того как одна из сотрудниц моей лаборатории, Камилла Пандольфи, отправилась на пару лет работать в особый отдел Европейского космического агентства. Этот отдел, очаровательно и многообещающе названный Ariadna – Advanced concepts team (Команда передовых концепций «Ариадна»), должен был осуществлять связь между ЕКА и европейским академическим сообществом в области исследований передовых космических технологий. Команда действительно достигла впечатляющих успехов, поэтому когда Камилла пришла ко мне с известием о том, что ей предложили стажироваться в этом центре, возражений у меня не было – она должна была поехать. Два года в таком исследовательском коллективе со столь многообещающим именем должны были стать великолепным опытом. С другой стороны, наша лаборатория уже несколько лет проводила исследования, как влияет на растения невесомость и поэтому сотрудничала с многочисленными космическими агентствами. Камилла должна была почувствовать себя в своей среде.
Когда она наконец переехала в главный исследовательский центр ЕКА в Амстердаме, выяснилось, что задача Камиллы еще интереснее, чем нам представлялось. Ее ждала работа с материалами, созданными непосредственно на основе принципов растительного мира и предназначенными для разработки новых космических технологий. Завораживающая задача, однако на первый взгляд совершенно нереализуемая. Чем растения могут помочь в изучении космических пространств? Казалось бы, ничем. Тем не менее растения оказались весьма изобретательными. Камилла набросала целый список тем, разработка которых могла бы привести к появлению инновационных технологий, и среди них были две, показавшиеся нам весьма интересными: изучение усиков растений в качестве основы для создания транспортных механизмов и применение принципов распространения семян аистника для создания зондов, использующих минимум энергии и способных проникнуть под поверхность иных планет.
Весной семена Аистника цикутного выбрасываются в атмосферу благодаря давлению, постоянно возрастающему по мере созревания и изменения формы семенной коробочки.
Конечно, все знают о работе зондов Pathfinder и Spirit, марсоходов Opportunity и Curiosity, отправленных на Марс в последние годы. Совсем недавно совершил полет спускаемый аппарат Philae, который 12 ноября 2014 года сел на поверхность кометы 67P Чурюмова-Герасименко.
Основной целью отправки этих аппаратов было именно исследование поверхности планеты и взятие образцов с определенной глубины. Обнаружение воды, даже в форме льда, под поверхностью планеты, определение химического состава почвы, и потенциальная возможность обнаружения микроскопических следов жизни – таковы были цели миссий, и поэтому технология бурения космического тела стала приоритетом для всех космических агентств мира.
Устройство, посылаемое в космос, должно отвечать множеству критериев, но среди них принципиально важными являются два: оно должно весить как можно меньше и потреблять минимум энергии. Вес устройства и его энергоемкость служат двумя главнейшими ограничениями для космических технологий. Именно поэтому семечко Аистника цикутного представляет такой интерес для космических технологий – его структура позволяет ему иметь минимальный вес, а энергии оно не потребляет вовсе. Представьте, если бы нам удалось воспроизвести те биологические решения, которые позволяют ему перемещаться.
Аистник стремится распространить свои семена на как можно большие площади, как и все растения. Материнское растение совершенно не заинтересовано в том, чтобы быть окруженным себе подобными; наоборот, оно применяет всевозможные уловки, чтобы отправить потомство как можно дальше. Эта стратегия имеет значительные преимущества с эволюционной точки зрения: к примеру, она позволяет избежать конкуренции между соседними, соперничающими за источники энергии, растениями.
Растения изобрели сотни различных способов, как распространить свои семена в окружающей среде, тем самым обеспечивая наилучшие возможности для выживания. Аистник предложил свое решение проблемы – его плодовая коробочка просто взрывается. Семена группируются в ней так, чтобы механическая энергия накапливалась, как в сжатой пружине. Эта энергия возрастает до тех пор, пока не происходит случайное нарушение равновесия, например, на коробочку присаживается насекомое, его задевает проходящий зверек или просто ее толкает порыв ветра, и тогда семена высвобождаются взрывным манером. Они буквально катапультируются на многие метры от материнского растения; те же, которые умудрились зацепиться за шерсть животного, могут проехать на нем многие километры и осесть совсем в другой местности.
А на земле начинается второй этап приключений семечка: длинный усик (семя аистника по форме напоминает сперматозоид) начинает удлиняться, в зависимости от влажности воздуха. Усик и щетинки позволяют семечку перемещаться до тех пор, пока оно не обнаружит трещинку в почве, и помогают ему погрузиться туда верхушкой вниз. Разница между дневным и ночным уровнями влажности создает необходимое давление, которое позволяет семени погрузиться в почву.
Спираль, в которую скручен усик, раскручиваясь, заталкивает семя все глубже и глубже в почву; а его остроконечная форма ускоряет и облегчает это движение. Через несколько дней, то есть после ряда колебаний дневной/ночной влажности, семя достигает оптимального положения – на глубине в несколько сантиметров; и оно готово прорастать и формировать новое растение.
Теперь, когда вы узнали, какими удивительными способностями обладает семечко аистника, вы можете представить, почему исследования Камиллы и ее коллег по группе Advanced concepts team заняли почти год – они изучили в деталях стратегию и механизмы, разработанные этим удивительным растением. Для разработки основ конструкции самодвижущихся и внедряющихся в почву зондов, которые можно было бы использовать в исследовательских миссиях без присутствия человека, оказались очень важны знания о способности семян проникать в разные почвы с помощью механических приемов, вполне воспроизводимых на Луне, Марсе или астероидах.