Forskare från Duke University har avslöjat den detaljerade mekaniken för hur svampsporer har utvecklats för att utnyttja kraften i att slå samman vattendroppar för att starta på ett enhetligt sätt.

Svampsporer växer i ändarna av långa, tunna tetter som kallas sterigmas. När den är mogen, sporerna måste bryta loss och transporteras till en ny plats för att växa. Vissa sporer är beroende av djur eller sin egen resekraft. Andra - kallade ballistosporer - kastas aktivt ut från ytan på moderorganismen. Och när det gäller några svampar, vattendroppar ger lyft.

För mer än ett sekel sedan, Reginald Buller upptäckte att en sfärisk vattendroppe som bildas nära en spore är avgörande för spors spridning. Dubbade "Buller -droppen, "dess sammanslagning med en annan linsformad droppe på sporen får sporen att bryta sig loss från dess bindning.

"Sporerna skjuts upp med en enorm mängd kraft i en specifik riktning, nästan som en kanon, "sa Chuan-Hua Chen, docent i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke. "Och ballistosporekanonen har utvecklats för att skjuta direkt bort från svampen för att ge sporerna den bästa chansen att fly."

Även om detta fenomen hade förklarats energiskt, de detaljerade mekanismerna - särskilt den nästan enhetliga riktningen för sporernas uppskjutningar - har förblivit ett mysterium. I ett papper publicerat i Journal of the Royal Society Interface den 27 juli Chen och hans kollegor använder höghastighetskameror och en bläckstråleskrivare för att lösa gåtan.

Det stora hindret för att avslöja detaljerna om hur vattendroppar startar dessa sporer har varit åtgärdens hastighet. Även om det tar flera minuter för vattendroppar att växa sig tillräckligt stora för start, själva händelsen tar mindre än en mikrosekund.

"Och tyvärr är en mikrosekund också tidsupplösningen för de flesta höghastighetskameror, "Sa Chen." Så medan forskare gjorde vissa framsteg med att fånga den övergripande koalescensprocessen, den detaljerade mekanismen var fortfarande inte klar. "

Problemet var en skala och timing, eftersom lanseringstiden är proportionell mot storleken på Buller -droppen, vilket är litet när det gäller svampsporer.

För att undvika detta problem, Chen och hans team konstruerade sina egna större "sporer" genom att skära en polystyrensfär i en sporformad partikel och noggrant orientera modellsporen på en plan yta. Sedan använde de en bläckstråleskrivare för att bygga en större Buller-droppe direkt bredvid deras konstgjorda spore. Med förmågan att exakt styra droppens storlek, och därmed dess starthastighet och timing, laget kunde fånga lanseringen med hög upplösning.

När de tittade på filmen, detaljerna i lanseringsmekanismen blev uppenbara. När den sfäriska Buller -droppen förenar den andra droppen som sprids på sporen, dropparna tappar ytarea och släpper ut ytenergi, som ger fart för lanseringen.

När den nyligen sammanslagna droppen rör sig längs sporens plana yta, dropprörelsen anpassar sig snabbt till sporernas platta orientering. Den sammanslagna droppen utövar friktion på sporen när den rör sig och drar den bort från sterigmen. Uppskjutningsriktningen styrs av sporens platta ansikte, som är i samma riktning som den smala sterigmen.

"Energiutsläppet är så snabbt att det accelererar hela systemet med en miljon Gs, men det är så mycket luftdrag att sporen fortfarande bara rör sig några millimeter högst. Det är därför det är så viktigt för sporerna att skjuta direkt från svampen, "Sa Chen." Genom att förklara mekanismen bakom den nästan perfekta lanseringsriktningen, vårt arbete har äntligen belyst detta hundraåriga pussel. "