O pepino esguichador ( Ecballium elaterium , do grego 'ekballein', que significa jogar fora) recebeu esse nome devido ao método balístico que a espécie usa para dispersar suas sementes. Quando maduras, as frutas em formato ovoide se desprendem do caule e ejetam as sementes explosivamente em um jato de alta pressão de mucilagem. Esse lançamento de projétil — que dura apenas 30 milissegundos — faz com que as sementes atinjam velocidades de cerca de 20 metros por segundo e caiam a distâncias de até 250 vezes o comprimento da fruta (cerca de 10 m).

Até agora, o mecanismo exato da dispersão de sementes do pepino esguichante - e como isso afeta seu sucesso reprodutivo - permaneceu mal compreendido. No novo estudo, pesquisadores da Universidade de Oxford e da Universidade de Manchester conduziram uma variedade de experimentos em espécimes de Ecballium cultivados no Jardim Botânico da Universidade de Oxford.

Isso incluiu filmar a dispersão das sementes usando uma câmera de alta velocidade (capturando até 8600 quadros por segundo), medindo o volume da fruta e do caule antes e depois da dispersão, realizando testes de indentação e tomografias computadorizadas de um pepino intacto e monitorando a fruta com fotografia de lapso de tempo nos dias que antecederam o lançamento. Eles então desenvolveram um conjunto de modelos matemáticos para descrever a mecânica da fruta pressurizada, do caule e das trajetórias balísticas das sementes.

Usando essa abordagem combinada, a equipe elucidou os principais componentes da estratégia de dispersão da planta:

1)      Um sistema pressurizado : Nas semanas que antecedem a dispersão das sementes, os frutos ficam altamente pressurizados devido ao acúmulo de fluido mucilaginoso.

2)      Redistribuição de fluidos : Nos dias antes da dispersão, parte desse fluido é redistribuído da fruta para o caule, tornando o caule mais longo, mais grosso e mais rígido. Isso faz com que a fruta gire de quase vertical para um ângulo próximo a 45°, um elemento-chave necessário para o lançamento bem-sucedido da semente.

3)      Um rápido recuo : Nas primeiras centenas de microssegundos de ejeção, a ponta do caule recua para longe da fruta, fazendo com que a fruta gire na direção oposta.

4)      Lançamento variável : Devido aos componentes acima, as sementes são ejetadas com uma velocidade de saída e ângulo de lançamento que dependem de sua sequência: com sementes subsequentes, a velocidade de saída diminui (porque a pressão da cápsula da fruta que agora está se esvaziando diminui) enquanto o ângulo de lançamento aumenta (devido à rotação da fruta). Isso faz com que as sementes iniciais alcancem a maior distância, com as sementes subsequentes pousando mais perto. Como várias frutas são distribuídas ao redor do centro da planta, o resultado geral é uma distribuição ampla e quase uniforme de sementes cobrindo uma área em forma de anel a uma distância entre 2 e 10 m da planta-mãe.

Juntos, esses componentes formam um sofisticado sistema de dispersão de sementes. Em particular, a redistribuição de fluido da fruta de volta para o caule é considerada única dentro do reino vegetal.

Usando o modelo matemático, os pesquisadores exploraram as consequências de alterar artificialmente diferentes parâmetros. Isso revelou que o método de projeção de sementes do pepino esguichante foi ajustado para garantir uma dispersão quase ótima e o sucesso da planta ao longo de gerações.

Por exemplo, tornar o caule mais grosso e rígido resultou no lançamento das sementes quase horizontalmente, já que a fruta giraria menos durante a descarga. Isso faria com que as sementes fossem distribuídas por uma área mais estreita, com menos probabilidade de sobreviver.

Enquanto isso, reduzir a quantidade de fluido redistribuído da fruta para o caule resultou em uma fruta superpressurizada, fazendo com que a semente fosse ejetada em velocidades mais altas, mas em um ângulo de lançamento quase vertical. Consequentemente, as sementes não seriam dispersas longe o suficiente da planta-mãe e, novamente, poucas sobreviveriam.

O coautor Dr. Derek Moulton (Professor de Matemática Aplicada no Oxford Mathematical Institute) disse: `A primeira vez que inspecionamos esta planta no Jardim Botânico, o lançamento da semente foi tão rápido que não tínhamos certeza de que realmente tinha acontecido. Foi muito emocionante cavar e descobrir o mecanismo desta planta única.'

De acordo com o coautor Dr. Finn Box (Royal Society University Research Fellow, Universidade de Manchester), "Esta pesquisa oferece aplicações potenciais em engenharia bioinspirada e ciência de materiais, particularmente em sistemas de administração de medicamentos sob demanda, por exemplo, microcápsulas que ejetam nanopartículas onde o controle preciso de liberação rápida e direcional é crucial."

Ecballium elaterium (pronuncia-se: eck- ball -ee-uhm elaht- eh -ree-uhm) é um membro da família das cabaças (Cucurbitaceae), que também inclui melão, abóbora, abóbora e abobrinha. A espécie é nativa do Mediterrâneo, onde – graças à sua estratégia eficaz de dispersão de sementes – é frequentemente considerada uma erva daninha.

O estudo 'Descobrindo os segredos mecânicos do pepino esguichando' foi publicado no The Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) .