Сухая сосновая шишка обычно раскрыта, а после дождя или долгого пребывания во влажном воздухе её чешуйки постепенно прижимаются друг к другу. Самое удивительное — для этого движения не нужны ни мышцы, ни нервы и даже живые клетки. Зрелая шишка работает как пассивный природный механизм, который реагирует на содержание воды в тканях.
Чешуйка устроена как природная двухслойная пластина
Если рассмотреть чешуйку сосновой шишки в разрезе, она состоит из тканей с разным строением клеточных стенок и разной ориентацией волокон целлюлозы.
Эти слои неодинаково поглощают воду и неодинаково меняют размеры при увлажнении. Один слой набухает сильнее, другой сопротивляется изменению длины.
Получается система, похожая на биметаллическую пластину в термостате: там два металла по-разному расширяются от температуры, а здесь два растительных слоя по-разному реагируют на влагу.
Во влажную погоду чешуйка изгибается внутрь
Когда влажность повышается, клеточные стенки впитывают воду. Более гигроскопичный слой увеличивается сильнее, и возникающая разница деформаций заставляет чешуйку изгибаться.
В результате кончики поднимаются к оси шишки, промежутки между ними уменьшаются, и шишка закрывается.
При высыхании процесс идёт в обратную сторону: вода уходит из стенок, ткани сокращаются неодинаково, чешуйки отгибаются наружу, и шишка снова раскрывается.
Такой механизм работает даже у давно мёртвой шишки
Это движение принципиально отличается от закрывания венериной мухоловки или складывания листьев мимозы. Там участвуют живые клетки и изменения давления воды внутри тканей.
У зрелой сосновой шишки движение гигроскопическое и пассивное. Оно задаётся самой архитектурой высохших клеточных стенок.
Исследователи показывали, что способны двигаться даже ископаемые шишки возрастом более ста тысяч лет: после увлажнения их чешуйки всё ещё изменяли угол, потому что часть структурного механизма сохранилась.
Закрывание связано с распространением семян
У многих сосен крылатые семена лучше разносятся в сухую погоду. Когда воздух сухой, чешуйки раскрываются и семена получают возможность выпадать из шишки.
Влажный воздух обычно хуже подходит для дальнего переноса лёгких семян ветром. Закрытая шишка задерживает их до более благоприятных условий.
Таким образом, простой пассивный механизм повышает шанс, что семена будут released именно тогда, когда ветер и сухость помогают унести их дальше от материнского дерева.
Шишка реагирует не мгновенно
Изменение формы занимает время, потому что вода должна проникнуть в ткани или выйти из них. В современных экспериментах отдельным слоям чешуек требовались минуты и десятки минут, а целой структуре — заметно больше.
Поэтому шишка не является точным «домашним барометром», который мгновенно предсказывает дождь. Она реагирует уже на изменение влажности окружающей среды.
Если принести сухую раскрытую шишку в очень влажное помещение или положить в воду, движение становится особенно хорошо заметным.
Даже направление волокон имеет значение
Исследования показывают, что дело не только в том, сколько воды поглощают разные части чешуйки. Важна и ориентация микрофибрилл целлюлозы в клеточных стенках.
Она определяет, в каком направлении ткань может сильнее разбухать. Благодаря этому микроскопическое увеличение размеров отдельных клеточных структур превращается в крупный изгиб всей чешуйки.
Так дерево заранее «программирует» движение ещё во время формирования шишки, а после созревания механизм способен работать самостоятельно.
Инженеры давно копируют этот принцип
Гигроскопическое движение сосновых шишек стало моделью для так называемых умных материалов. Исследователи создают двухслойные конструкции, которые меняют форму при изменении влажности без электродвигателя и электроники.
Такие системы рассматривают для вентиляции, мягкой робототехники, адаптивных поверхностей и других механизмов, где движение должно запускаться самой окружающей средой.
Обычная лесная шишка показывает, что сложное движение не обязательно требует нервной системы: иногда достаточно правильно расположить материалы, которые по-разному набухают и высыхают.