Onderzoekers van Duke University hebben de gedetailleerde mechanica blootgelegd van de manier waarop schimmelsporen zijn geëvolueerd om de kracht van het samenvoegen van waterdruppels te benutten om op een uniforme manier te lanceren.

Schimmelsporen groeien aan de uiteinden van lange, dunne koorden die sterigma's worden genoemd. Eenmaal volwassen, de sporen moeten losbreken en naar een nieuwe locatie worden getransporteerd om te groeien. Sommige sporen zijn afhankelijk van dieren of hun eigen kracht om te reizen. Anderen, ballistosporen genoemd, worden actief van het oppervlak van het ouderorganisme uitgestoten. En in het geval van sommige schimmels, waterdruppels zorgen voor de lancering.

Meer dan een eeuw geleden, Reginald Buller ontdekte dat een bolvormige waterdruppel die zich dicht bij een spore vormt, cruciaal is voor de verspreiding van de spore. Nagesynchroniseerd met de "Buller-drop, " het versmelten met een andere lensvormige druppel op de spore zorgt ervoor dat de spore loskomt van zijn ketting.

"De sporen worden met een enorme hoeveelheid kracht in een specifieke richting gelanceerd, bijna als een kanon, " zei Chuan-Hua Chen, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan Duke. "En het ballistosporenkanon is geëvolueerd om direct weg te schieten van de schimmel om de sporen de beste kans te geven om te ontsnappen."

Hoewel dit fenomeen energetisch was verklaard, de gedetailleerde mechanismen - met name de bijna uniforme richting van de lancering van de sporen - zijn een mysterie gebleven. In een paper gepubliceerd in de Tijdschrift van de Royal Society Interface op 27 juli, Chen en zijn collega's gebruiken hogesnelheidscamera's en een inkjetprinter om het raadsel op te lossen.

De belangrijkste hindernis bij het blootleggen van de details van hoe waterdruppels deze sporen lanceren, was de snelheid van de actie. Hoewel het enkele minuten duurt voordat waterdruppels groot genoeg zijn om op te stijgen, de gebeurtenis zelf duurt minder dan een microseconde.

"En helaas is een microseconde ook de tijdresolutie voor de meeste hogesnelheidscamera's, "Zei Chen. "Dus terwijl onderzoekers enige vooruitgang boekten bij het vastleggen van het algehele coalescentieproces, het gedetailleerde mechanisme was nog steeds niet duidelijk."

Het probleem was er een van schaal en timing, aangezien de duur van de lancering evenredig is met de grootte van de Buller-drop, die klein is als het gaat om schimmelsporen.

Om dit probleem te omzeilen, Chen en zijn team construeerden hun eigen grotere "sporen" door een polystyreenbol in een sporenvormig deeltje te snijden en de modelspoor zorgvuldig op een plat oppervlak te oriënteren. Daarna gebruikten ze een inkjetprinter om een ​​grotere Buller-druppel direct naast hun kunstmatige sporen te bouwen. Met de mogelijkheid om de grootte van de druppel nauwkeurig te regelen, en dus de startsnelheid en timing, het team kon de lancering met hoge resolutie vastleggen.

Toen ze naar de film keken, de details van het lanceringsmechanisme werden duidelijk. Wanneer de bolvormige Buller-druppel zich bij de tweede druppel voegt die op de sporen wordt verspreid, de druppels verliezen oppervlakte en geven oppervlakte-energie vrij, het momentum voor de lancering.

Terwijl de nieuw samengevoegde druppel langs het platte vlak van de sporen beweegt, de druppelbeweging komt snel overeen met de oriëntatie van het platte vlak van de spore. De samengevoegde druppel oefent wrijving uit op de spore terwijl deze beweegt en trekt deze weg van het sterigma. De richting van de lancering wordt geleid door het platte vlak van de spore, die in dezelfde richting is als de slanke sterigma.

"Het vrijkomen van energie gaat zo snel dat het het hele systeem versnelt met een miljoen Gs, maar er is zoveel luchtweerstand dat de spore nog steeds hooguit een paar millimeter reist. Daarom is het zo belangrijk dat de sporen direct van de schimmel af schieten, Chen zei. "Door het mechanisme uit te leggen dat ten grondslag ligt aan de bijna perfecte lanceringsrichting, ons werk heeft eindelijk licht geworpen op deze eeuwenoude puzzel."