Το «High-speed seed» δεν υπάρχει ως όρος στη βιολογία, αλλά «κουμπώνει» απίστευτα καλά με αυτό που δείχνει μια νέα μελέτη από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης: η βροχή για τους σπόρους δεν είναι απλώς νερό, είναι μηχανικός «διακόπτης» για να επιταχύνουν τη βλάστηση. Μεγαλώνουν όχι επειδή βρέχονται. Μεγαλώνουν μόνο και μόνο επειδή «ακούν» το νερό να έρχεται.
Η ομάδα των μηχανικών στο ΜΙΤ παρατήρησε ότι οι ηχητικές δονήσεις από σταγόνες της βροχής που πέφτουν ουσιαστικά «τινάζουν» τους σπόρους από μια αδρανή κατάσταση, διεγείροντάς τους να βλαστήσουν γρηγορότερα από σπόρους που δεν εκτίθενται στις ίδιες ηχητικές δονήσεις.
Μελέτες πριν από περίπου δύο δεκαετίες στην Ιαπωνία είχαν δείξει ότι έντονες μηχανικές δονήσεις όπως αυτές που προκαλούν τα γεωργικά μηχανήματα μπορούν να επιταχύνουν τη βλάστηση των σπόρων.
Τα ευρήματα της ομάδας, τα οποία δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Scientific Reports, αποτελούν την πρώτη άμεση απόδειξη ότι οι σπόροι και τα σπορόφυτα μπορούν να αντιληφθούν ήχους στη φύση.
Πίσω από αυτή την ανακάλυψη βρίσκεται ο Έλληνας καθηγητής του MIT, Νικόλαος Μακρής, ειδικός στην ακουστική και την ανίχνευση κυμάτων. Η ιδέα της μελέτης, όπως λέει ο ίδιος γεννήθηκε πριν από περίπου τρία χρόνια, όταν μια συνάδελφος και συν-συγγραφέας της μελέτης, τον προσέγγισε με ένα φαινομενικά αλλόκοτο ερώτημα: μπορούν οι σπόροι να παράγουν ήχους;
«Από αυτή τη συζήτηση δεν προέκυψε απάντηση στο συγκεκριμένο ερώτημα. Ωστόσο, προέκυψε ένα άλλο ερώτημα, ακόμη πιο ενδιαφέρον: αν οι σπόροι μπορούν να ανταποκριθούν στον ήχο και μάλιστα να τον χρησιμοποιήσουν ως ‘σήμα’ για να ξεκινήσουν τη βλάστησή τους», λέει ο Μακρής, η έρευνα του οποίου γεφυρώνει τη φυσική, τη μηχανική, την υπολογιστική επιστήμη και την αντίληψη, δείχνοντας πώς ο ήχος δεν αποτελεί μόνο μέσο επικοινωνίας, αλλά μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως εργαλείο για την εξερεύνηση του πλανήτη και πέρα από αυτόν.
«Η ιδέα της μελέτης βασίστηκε σε υπάρχουσες επιστημονικές γνώσεις σχετικά με τον τρόπο που τα φυτά αντιλαμβάνονται το περιβάλλον τους. Είναι γνωστό εδώ και δεκαετίες ότι τα φυτά δεν είναι “παθητικοί οργανισμοί”, αλλά αντιδρούν στη βαρύτητα, στο φως, στα χημικά ερεθίσματα, ακόμη και στους μηχανικούς κραδασμούς. Στην καρδιά αυτής της ικανότητας βρίσκεται ένας μικροσκοπικός μηχανισμός μέσα στα κύτταρά τους, οι στατόλιθοι, οι οποίοι είναι μικρά, πυκνότερα από το κυτταρόπλασμα σωματίδια που λειτουργούν όπως το αλάτι μέσα σε μια αλατιέρα. Όταν κινούνται και καθιζάνουν στο ‘κάτω’ μέρος του κυττάρου δίνουν στο φυτό πληροφορίες για τη βαρύτητα και καθοδηγούν την ανάπτυξή του, δηλαδή τις ρίζες προς τα κάτω και τους βλαστούς προς τα πάνω».
Μελέτες πριν από περίπου δύο δεκαετίες στην Ιαπωνία είχαν δείξει ότι έντονες μηχανικές δονήσεις όπως αυτές που προκαλούν τα γεωργικά μηχανήματα μπορούν να επιταχύνουν τη βλάστηση των σπόρων. Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι ότι μεταλλαγές που επηρεάζουν την αντίληψη της βαρύτητας καταργούν αυτή την απόκριση, υποδεικνύοντας ότι η μηχανική δόνηση εξωτερικά και ο μηχανισμός βαρύτητας του φυτού είναι στενά συνδεδεμένοι.
«Εάν οι στατόλιθοι επηρεάζονται από τέτοιες δονήσεις, θα μπορούσε ένας φυσικός ήχος, όπως αυτός της βροχής, να προκαλέσει το ίδιο αποτέλεσμα; Αναρωτηθήκαμε», λέει ο Έλληνας επιστήμονας.
«Στήνοντας αυτί» στο έδαφος…
Ο Μακρής με την ομάδα του διερεύνησαν τι είδους ήχος στο περιβάλλον θα δονούσε το φυτό τόσο πολύ ώστε οι στατόλιθοι να ανακατεύονται, όπως η άμμος σε μια κλεψύδρα. Και τότε διαπίστωσαν ότι χρειάζονταν αρκετά ισχυρούς περιβαλλοντικούς ήχους.
«Στην πραγματικότητα, η μελέτη του ήχου της βροχής από τους συναδέλφους μας τη δεκαετία του 1980 δεν αρκούσε για αυτό που εμείς χρειαζόμασταν. Εκείνοι είχαν μελετήσει περισσότερο τις φυσαλίδες και τα πιτσιλίσματα, αλλά εμείς χρειαζόμασταν την ίδια την πρόσκρουση της βροχής στο νερό ή στο χώμα. Έτσι, επεξεργαστήκαμε αυτή τη θεωρία και κάναμε μια σειρά μετρήσεων».
Aν είστε ένας σπόρος που βρίσκεται σε απόσταση λίγων εκατοστών από την πρόσκρουση μιας σταγόνας βροχής, το είδος της ηχητικής πίεσης που θα βιώνατε στο νερό ή στο έδαφος είναι ισοδύναμο με αυτό που θα βιώνατε σε απόσταση λίγων μέτρων από έναν κινητήρα τζετ στον αέρα.
Οι σταγόνες που χτυπούν την επιφάνεια του νερού ή του εδάφους δημιουργούν ισχυρά ηχητικά κύματα και δονήσεις που διαδίδονται στο περιβάλλον. Σε βάθος μερικών εκατοστών κάτω από την επιφάνεια, αυτές οι δονήσεις μπορεί να είναι αρκετά ισχυρές ώστε να επηρεάσουν τους στατόλιθους μέσα στους σπόρους, οι οποίοι αντιδρούν σε αυτές τις δονήσεις λόγω της μάζας τους. Εάν οι στατόλιθοι κινηθούν, ενεργοποιούν βιοχημικά σήματα ανάπτυξης μέσα στο φυτό. Έτσι, ένας σπόρος που «ανιχνεύει» τις δονήσεις της βροχής μπορεί να τις ερμηνεύσει ως «συναγερμό» για να ξεκινήσει τη βλάστηση.
Επειδή το νερό είναι πολύ πυκνότερο από τον αέρα, μεταφέρει βίαια ορμή. Όταν μια σταγόνα βροχής χτυπά μια λακκούβα, οι προκύπτουσες υποβρύχιες ηχητικές πιέσεις φτάνουν τις εκατοντάδες Pascal.
«Έτσι, αν είστε ένας σπόρος που βρίσκεται σε απόσταση λίγων εκατοστών από την πρόσκρουση μιας σταγόνας βροχής, το είδος της ηχητικής πίεσης που θα βιώνατε στο νερό ή στο έδαφος είναι ισοδύναμο με αυτό που θα βιώνατε σε απόσταση λίγων μέτρων από έναν κινητήρα τζετ στον αέρα», λέει ο Μακρής.
Οι ερευνητές, για να ελέγξουν την υπόθεση σχεδίασαν ένα πείραμα μεγάλης κλίμακας. Περίπου 8.000 σπόροι ρυζιού βυθίστηκαν σε ρηχές δεξαμενές με νερό που μιμούνταν τα πλημμυρισμένα χωράφια και τις λακκούβες όπου ευδοκιμεί το ρύζι και εκτέθηκαν σε ελεγχόμενες σταγόνες νερού που προσομοίαζαν ποικίλες εντάσεις βροχής, από ψιχάλα έως καταιγίδα. Οι σπόροι βρίσκονταν αρκετά βαθιά ώστε να μην επηρεάζονται άμεσα από την πρόσκρουση των σταγόνων στο νερό, αλλά μόνο από τις ηχητικές τους δονήσεις.
Χρησιμοποιώντας υδρόφωνα, η ομάδα επαλήθευσε ότι τα σταγονίδια που έπεφταν στις εργαστηριακές τους «μπανιέρες» ταίριαζαν με τα ηχητικά προφίλ των φυσικών βροχοπτώσεων που καταγράφηκαν σε πραγματικούς υγροτόπους. Προσομοίωσαν τα πάντα, από ελαφριές ψιχάλες έως έντονες νεροποντές, αλλάζοντας το μέγεθος και το ύψος των σταγονιδίων που έπεφταν.
Και οι σπόροι έδειξαν μια μετρήσιμη απόκριση. Εκείνοι που εκτέθηκαν στον ηχητικό θόρυβο της προσομοιωμένης βροχής φύτρωσαν κατά 30-40% γρηγορότερα από τους σπόρους ελέγχου που διατηρήθηκαν σε αθόρυβες, πανομοιότυπες συνθήκες.
«Επιπλέον, διαπιστώθηκε ότι όσο πιο κοντά στην επιφάνεια των δεξαμενών βρίσκονταν οι σπόροι, τόσο πιο έντονη ήταν η απόκριση. Όταν το βάθος ξεπερνούσε τα 5 εκατοστά περίπου, το φαινόμενο εξαφανιζόταν, καθώς οι δονήσεις δεν ήταν πλέον αρκετά ισχυρές για να ταρακουνήσουν τους στατόλιθους. Αυτό, ωστόσο, δεν θεωρείται μειονέκτημα αλλά εξελικτικό πλεονέκτημα. Οι σπόροι που βρίσκονται σε μικρό βάθος είναι αυτοί που έχουν τις καλύτερες πιθανότητες επιβίωσης, καθώς βρίσκονται αρκετά κοντά στην επιφάνεια για να αναδυθούν εύκολα όταν το φυτό αρχίζει να αναπτύσσεται, αλλά και αρκετά βαθιά για να έχουν υγρασία», εκτιμά ο Δρ. Μακρής.
Με άλλα λόγια, η βροχή λειτουργεί ταυτόχρονα ως πόρος και ως ειδοποίηση, καθώς δείχνει στους σπόρους όχι μόνο ότι υπάρχει νερό, αλλά και ότι βρίσκονται στο κατάλληλο βάθος για να ξεπεταχτούν.
Η ομάδα δεν σταμάτησε στην παρατήρηση. Επιβεβαίωσε μέσα από μαθηματική ανάλυση και φυσική μοντελοποίηση ότι η μηχανική ενέργεια της βροχής μπορεί πραγματικά να “ταρακουνήσει” τους μηχανισμούς αντίληψης της βαρύτητας μέσα στους σπόρους.
Οι επιπτώσεις αυτής της ανακάλυψης μπορεί να είναι ευρύτερες. Παρόμοιες δονήσεις από τον άνεμο ή από άλλα φυσικά φαινόμενα ίσως επηρεάζουν διαφορετικές πτυχές της ανάπτυξης των φυτών, ένα πεδίο που οι ερευνητές σκοπεύουν να εξερευνήσουν περαιτέρω.
Όπως σημειώνει ο Μακρής, τα φυτά έχουν εξελίξει ένα εξαιρετικά ευαίσθητο σύστημα αισθητήρων για να επιβιώνουν σε ένα πολύπλοκο περιβάλλον. Το γεγονός ότι μπορούν να αντιδρούν και στον ήχο της βροχής αποκαλύπτει ότι η φύση έχει ενσωματώσει ακόμη πιο αδιόρατες μορφές πληροφοριών στην ανάπτυξη των φυτών από ό,τι πιστευόταν προηγουμένως.
Και ίσως, όπως καταλήγει, αυτό δίνει ένα νέο νόημα στη βροχή που δεν ποτίζει απλώς τη γη- ίσως της «μιλά».
Και οι σπόροι, απ’ ό,τι φαίνεται, την ακούν.
Ποιος είναι ο Έλληνας επιστήμονας
Ο Νικόλαος Μακρής είναι Γραμματέας του Ναυτικού των ΗΠΑ, Αρχηγός Ναυτικών Επιχειρήσεων και καθηγητής στο MIT στους τομείς Θαλάσσιας Τεχνολογίας και Μηχανολογίας & Ωκεανογραφικής Μηχανικής.
Έχει ηγηθεί σημαντικών διεθνών ωκεανογραφικών αποστολών, από τις Σκανδιναβικές Θάλασσες έως τα νησιά του Ειρηνικού και έχει αναπτύξει την τεχνική OAWRS (Ocean Acoustic Waveguide Remote Sensing), που επιτρέπει σχεδόν άμεση χαρτογράφηση ψαριών και θαλάσσιων θηλαστικών σε μεγάλες αποστάσεις, αποδεικνύοντας ότι ο υποθαλάσσιος ήχος ενός τυφώνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση της καταστροφικής του δύναμης.
Έχει παρουσιάσει το έργο του σε σημαντικά πολιτικά σώματα στις ΗΠΑ και το Ηνωμένο Βασίλειο, συμβάλλοντας και στην αντιμετώπιση της αλιευτικής κρίσης της Νέας Αγγλίας σε συνεργασία με τον γερουσιαστή Κέρι. Συμμετείχε επίσης σε επιστημονική ομάδα της NASA για το πρόγραμμα Jupiter Icy Moons Orbiter.
Ως διευθυντής στο MIT, συνέβαλε στην ανάπτυξη του προγράμματος Floating City του ΟΗΕ για την αντιμετώπιση της ανόδου της στάθμης της θάλασσας. Το θεωρητικό του έργο έχει ενισχύσει την κατανόηση της ακουστικής, της διάδοσης κυμάτων και θεμελιωδών νόμων της αντίληψης.
