科学家揭开黄瓜如何爆发式喷射种子的世纪之谜。

喷射瓜，这种奇特的小葫芦有一个爆炸式的繁殖策略，自从罗马帝国时代起就引起了自然学家的兴趣。喷射瓜以惊人的方式将种子射出数百倍于自身长度，现在科学家们已经知道它们是如何做到这一点的。喷射瓜的动作非常壮观，但如果眨眼，就可能会错过——喷射过程只持续了大约0.03秒（30毫秒）。成熟时，这种毛茸茸的绿色果实大约长1.6英寸（4厘米）。从茎上掉落时，它以大约每小时45英里（20米/秒）的速度发射出一股种子和粘液的混合物，种子射程可达约33英尺（10米）。喷射瓜在多种环境中都能找到，包括地中海和欧洲、北非、亚洲和北美的一些地区。它们是葫芦科（Cucurbitaceae）的成员，与小型的黄瓜、南瓜和西葫芦有亲缘关系，但它们种子的射程在这个群体中是独一无二的，也是植物中非常罕见的。

古罗马的自然学家老普林尼（公元前23年至79年）是第一个描述喷射瓜的人，他警告说“种子会喷出来，甚至危及眼睛”。19世纪的研究提供了关于喷射瓜高压内部发射系统的线索，但直到现在，人们对它们种子喷射的细节仍然知之甚少。

最近，研究人员对这个弹道学的谜团进行了深入研究。他们使用了高速摄像机、延时摄影、CT扫描和数字3D重建来分析喷射瓜的喷射前、中和后的情况，并创建了数学模型来描述果实像喷泉一样爆发的情况。这项周一发表在《美国国家科学院院刊》上的研究解释了喷射机制比简单的液体积累和内部压力释放要复杂得多。根据研究，在喷射发生之前和期间的物理变化——包括葫芦的膨胀——决定了成功喷射种子的角度、高度和距离。“这是一个新观念，最佳的种子散布不仅关乎果实中形成最大的压力，”德国科隆马克斯·普朗克植物育种研究所领导研究小组的安吉拉·海博士说。海曾写过关于爆炸性种子散布的文章，但未参与这项新研究。

海在电子邮件中告诉CNN，这项研究显示，最有效的种子发射依赖于积累的流体压力的压力和为爆发时刻做准备的其它独特变化的权衡。研究合著者德里克·莫尔顿，英国牛津大学应用数学教授，在2022年夏天由牛津植物园和植物园科学部副主任克里斯·索罗古德介绍下接触到了喷射瓜。“我们共同进行了一些其他项目，并建立了非常好的合作关系，”莫尔顿在电子邮件中告诉CNN。“他向我展示了一种会做有趣事情的植物，然后我试图用数学去理解一些方面。”索罗古德带着莫尔顿和其他研究员去了牛津花园看喷射瓜，向他们保证这种不起眼的葫芦比看起来更奇特。成熟时，只要轻轻一碰就会触发它们的强力发射。“他弯下腰轻轻挤压了一下，然后你可以听到轻微的‘噗’的一声，但我们什么都没看到，太快了，”莫尔顿说。“所以我们把一些果实带回实验室，用高速摄像机拍摄了喷射情况。太惊人了。我们着迷了，想要理解它。”

喷射瓜的高速录像只是开始。研究人员使用CT扫描来研究种子内部结构、测试植物各部分的硬度、在种子发射前数天拍摄延时录像以追踪茎和果实中的物理变化。基于数据的数学模型创建了种子的飞行模拟并预测了它们会降落在哪里。

“我们的数学框架来自于思考种子发射前后这两个过程中的物理，并包括了对果实和茎以及它们如何相互作用的数学描述，”莫尔顿说。

在种子发射前几天，研究人员观察到葫芦里有很多活动。随着果实在充满液体后，一些液体也会流入茎内，使茎变厚变硬，这样悬挂的果实从几乎垂直的位置抬升到大约45度的角度。根据研究，从这种角度而不是直接向上喷射对植物来说是一种更好的策略，可以使其射出的种子更远。

科学家们还观察到在果实脱离时茎给果实提供了旋转运动。他们的模型显示这种旋转会使种子散布在一个更宽的弧线上。“仅仅将种子射得远远的不够——如果你想要提高有些种子能存活下来长出新植物的概率，你还需要确保它们分布得比较分散，”莫尔顿说。“有诸多因素协同作用决定种子去往何处。由于所有这些细节都被包含在我们的数学模型中，我们展示了Ecballium是如何为了成功散布而精心调整的。”

科学家们经常通过研究被选为模型生物的特定物种来回答生物学问题。但是，像喷射瓜这样的不太受关注的外来物种也有很多