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.

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.

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.

Для исследования всех этих многочисленных движений пришлось использовать различные технологии видеосъемки. Аистник некоторые движения совершает крайне медленно, и для их фиксации потребовалось применить методы, изобретенные Пфеффером, а для исследования сверхбыстрых движений, чтобы иметь возможность понять все в деталях, пришлось снять видео, которое потом можно было просматривать в очень медленном темпе. Анализ медленных движений, особенно тех, что совершаются уже на поверхности почвы, потребовал использования покадровой съемки, специально разработанной для визуализации процесса ввинчивания семени в почву за счет разницы между уровнями дневной и ночной влажности. Для того чтобы снять процесс выброса семян и их приземления на почву, пришлось применить специальную видеотехнику скоростной съемки.

Это не было тривиальной задачей. В нашей лаборатории мы все – эксперты по покадровой съемке, но у нас нет никакого опыта съемки скоростных процессов, необходимой для изучения процесса взрыва семенной коробочки. Подобные съемки требовали иной аппаратуры и иных навыков, нам пришлось учиться этому с нуля. Поначалу у нас не было никаких идей, как снять сам момент взрыва: предлагались самые разные решения, от достаточно наивных, разработанных нами, до весьма причудливых, предложенных нам друзьями, заходившими в лабораторию и чувствовавших себя обязанными дать совет.

В конце концов, предложений накопилось больше, чем требовалось, мы просто тонули в них. Главная проблема заключалась в том, что нам недостаточно было заснять один или парочку выбросов семян: нам надо было снять в буквальном смысле тысячи подобных «взрывов», причем при разных температурах и показателях влажности, на разных почвах, имитирующих по возможности внеземные условия. Нам нужна была вдобавок техника, которая бы позволяла заставить семена вылетать по команде, в момент полной готовности необходимых условий эксперимента.

Прошел почти месяц, а у нас не было никакого решения, кроме самого простого – отправить экспериментатора с камерой ждать, пока растение само решит «взорваться». Нам нужны были тысячи фотографий в секунду, снятых с высоким разрешением, то есть объем информации должен был бы превысить все разумные пределы (многие гигабайты в секунду). У нас не было хранилищ для такого объема данных, а ведь для исследований понадобились бы часы съемки! Мы оказались в тупике. За месяц мы обессмертили всего парочку «взрывов» семенной коробочки аистника, а идей, что делать дальше, не было. Пока не наступил один прекрасный день, когда решение пришло совершенно неожиданно (или, точнее, по счастливой случайности), и его принес школьник, пришедший в лабораторию на экскурсию. Все, кто приходят в лабораторию, будь они юными студентами или пожилыми дамами, обязаны прослушать краткую инструкцию о том, как надо себя вести в научном учреждении, и что нельзя ничего трогать. Этот запрет помогает, как избежать повреждения тонких инструментов или вмешательства в эксперимент, так и несчастных случаев с посетителями. Но, к счастью, в этот раз один из школьников решил нарушить запрет.

Подойдя к аппаратуре, предназначенной для опытов с аистником, пока один из наших сотрудников рассказывал об особенностях этого растения, мальчишка воскликнул: «А, круто, аистник!» Он вытащил из кармана тонкую деревянную палочку и начал ею тыкать в семена, висевшие на растении, в то место, где они крепились к стеблю, вызвав их внезапный выброс. Пока учительница, которая сопровождала детей, извинялась за недисциплинированного ученика, я застыл, пораженный результатом такого простого действия. Мальчик оказался родом из окрестностей Флоренции, где растет в изобилии аистник, и научился, бегая по лугам во время игр, устраивать «салют» из семян. Достаточно легкого толчка в место, где семена соединены друг с другом, и упругая сила рвет связь, и семена разлетаются. Наконец у нас была идея, как заставить семена разлетаться, мы получили «контролируемый взрыв». Да защитит Господь недисциплинированных детишек!

Результаты исследований показали, что каждая деталь семени аистника имеет свою особую функцию. Способность пробуравить землю и зарыться в нее обеспечивается:

а) геометрией семени;

б) структурой усиков и их способностью двигаться, используя изменение влажности;

в) наличию у усика неактивного участка;

г) волоскам, растущим на плодолистике и на усиках.

Собранные нами данные были использованы для создания модели двигательной активности аистника, мы передали ее в ЕКА вместе с отчетом (тот, кто заинтересуется, может найти его в Сети), в котором подробно описали все характеристики этого поразительного явления растительного мира.

Может быть, однажды кто-нибудь на самом деле решит построить зонд для космических исследований, основанный на этих принципах. Я был бы счастлив. Мы сделали все, чтобы это стало возможным.