Будова, механічні властивості та сила відриву гачків, що вкривають поверхню плодів Galium aparine L.

Abstract

Зачатки (семена и плоды) многих цветковых растений распространяются благодаря механическому сцеплению с шерстью или перьями животных (эпизоохория). В статье приведены результаты изучения строения и измерения силы отрыва крючков, покрывающих поверхность плодов Galium aparine L. и служащих для эпизоохорного роспространения зачатков. При помощи световой и сканирующей электронной микроскопии обнаружено, что крючки состоят из двух частей: (1) основания и (2) конуса с крючкообразно загнутой верхушкой. Конус развивается из внешнего слоя перикарпия и представляет собой видоизмененную полую одноклеточную трихому. Специфическое окрашивание полутонких срезов, заключенных в эпоксидную смолу, сафранином и стойким зеленым выявило целлюлозу и лигнин в стенке конуса. Измерение силы отрыва отдельных крючков показало, что она колеблется в пределах 9,37 – 44,89 мН (EX =23,23 мН, s=8,13, n=50) и зависит от размера крючков. Для рассчета модуля эластичности (модуль Юнга) материала крючков, который является важным параметром для характеристики механических свойств, использовали математическую модель, учитывающую сложную геометрию крючков. Значения модуля эластичности крючков с основанием, выполняющим функцию сустава, и без основания существенно отличались (2,02 ГПа и 23,20 ГПа, соответственно). На основании полученных экспериментальных данных показано, что крючки с основанием лучше приспособлены для оказания сопротивления разнонаправленным внешним силам, чем крючки без суставов. Такой эффект не обнаружен ни у других растений, ни у промышленных липучек.

Diaspores (seeds and fruits) of many flowering plants are adapted to dispersal by mechanical interlocking to animal fur and feathers (epizoochory). In this study, the morphology and attachment force of fruit hooks of Galium aparine plants are presented. Using light and scanning electron microscopy, it is found that the hook consists of two parts, a joint-like base and a hooked cone. The latter originates from the outer layer of the pericarp and may be considered as a modified hollow unicellular trichome. Staining of resin-embedded semithin sections with safranin and fast green shows that the hook wall contains cellulose and lignin. The force ranges from 9.37 to 44.89 mN (x=23.23, SD=8.13, n=50) and depends on the hook size. To calculate the Young’s modulus, a mathematical model describing the effect of the complex hook geometry was applied. The hooks with and without the base are characterised by different values of the elastic moduli: 2.02 GPa and 23.20 GPa, respectively. Experimental data show that jointed hooks are better adapted to resist forces in different directions compared with non-jointed hooks. This effect is not present in many other plant hooks and is also unknown in industrial hook-and-loop fasteners.