Хотя исторические данные о погоде предполагают, что дожди могут рассеивать ржавчину и другие патогены по популяции растений, механизм, с помощью которого это происходит, до сих пор не изучен.В статье, опубликованной в Journal of the Royal Society Interface, команда из Массачусетского технологического института и Льежского университета в Бельгии представляет высокоскоростные изображения капель дождя, падающих на различные листья, покрытые зараженной жидкостью.
Как видно в высоком разрешении, эти капли дождя могут действовать как диспергирующий агент, в некоторых случаях катапультируя загрязненные капли далеко от источника их листьев.Исследователи наблюдали характерные закономерности рассеивания и обнаружили, что диапазон рассеивания зависит от механических свойств растения, в частности от его податливости или гибкости.Лидия Буруиба, доцент кафедры гражданского строительства и экологической инженерии Массачусетского технологического института Эстер и Гарольда Эджертона, говорит, что понимание взаимосвязи между механическими свойствами растений и распространением болезней может помочь фермерам засеять более устойчивые к болезням поля.«Мы можем начать думать о том, как разумно заново изобрести поликультуру, в которой у вас есть чередующиеся виды растений с дополнительными механическими свойствами на разных стадиях их роста», — говорит Буруиба, старший автор статьи. «Поликультура — старая концепция, если вы посмотрите на местные культуры, но это один из способов научно показать, что, чередуя растения на одном поле, вы можете механически и естественным образом уменьшить диапазон передачи патогена во время дождя».
Отслеживание гидродинамики вспышкиВ своей статье Буруиба и Тристан Жилет из Льежского университета впервые обратились к широко распространенному предположению: патогенные микроорганизмы покрывают листья тонкой пленкой.
Команда провела эксперименты с десятками видов обычной листвы, включая плющ, бамбук, мяту и банановые листья. Они провели сотни экспериментов для каждого типа листвы, используя 30 примеров листвы реальных растений и 12 искусственно созданных материалов. В первоначальных испытаниях исследователи смоделировали дождь, пропустив воду через контейнер с крошечными отверстиями. Контейнер был подвешен в воздухе на несколько метров, на высоте, достаточной для того, чтобы капли достигли предельной скорости — скорости реальной капли дождя при ударе.
Исследователи запечатлели последовательность событий, когда капли дождя падают на каждый лист, используя высокоскоростную видеосъемку со скоростью 1000 кадров в секунду. На этих изображениях Буруиба и Жилет отметили, что когда вода падала, листья не могли удерживать тонкую пленку, а вместо этого образовывали капли на своей поверхности. Команда пришла к выводу, что патогены, в свою очередь, должны оставаться на поверхности листа в виде капель, а не пленки."Поначалу это может показаться небольшой разницей, но когда вы смотрите на динамику жидкости фрагментации и результирующий диапазон загрязнения вокруг инфицированного листа, это фактически меняет большую часть динамики с точки зрения механизма, с помощью которого [патогены] распространяются. испускается ", — говорит Буруиба.
Чтобы наблюдать такие динамические различия, команда сначала смоделировала дождь на плоской поверхности, покрытой тонкой пленкой. Когда капля попадала на эту поверхность, она запускала похожую на корону струю пленчатого вещества, хотя большая часть брызг оставалась в пределах общей близости. Напротив, команда обнаружила, что капли дождя, которые падали на листья, покрытые каплями, а не пленку, разбрасывали эти капли далеко и широко.
От полумесяца до катапультыЧтобы более подробно изучить влияние капель дождя на поверхностные капли, исследователи провели отдельный раунд экспериментов, в ходе которых они залили листья крашенной водой — заменой патогенным микроорганизмам.
Затем они создали установку, имитирующую одну-единственную каплю дождя, используя лазеры для тонкой калибровки, где на листе упадет капля.В ходе этих экспериментов Буруиба и Жилет наблюдали две основные модели рассеивания: конфигурацию полумесяца, в которой капля дождя при ударе становится плоской, скользит под окрашенной каплей и запускает ее по дуге, похожей на форму полумесяца; и инерционное отслоение, когда капля дождя на самом деле никогда не касается окрашенной капли, а вместо этого толкает лист вниз, заставляя окрашенную каплю соскользнуть вниз, а затем катапультироваться — следствие инерции листа, когда он отскакивает обратно вверх.После регистрации сотен ударов капель дождя на различные типы листьев, Буруиба и Жилет поняли, что, принимает ли капля полумесяц или конфигурацию инерционного отрыва, зависит в основном от одного свойства: податливости листа или гибкости. Они обнаружили, что в целом, чем мягче лист, тем менее эффективен он при запуске широкой дуги или полумесяца жидкости.
Однако при определенной гибкости рисунок полумесяца трансформировался в рисунок инерционного отрыва, в котором жидкость в форме более крупных капель, чем то, что может произвести полумесяц, отбрасывалась дальше от листа.На основании своих наблюдений исследователи разработали теоретическую модель, которая количественно отражает взаимосвязь между гибкостью листа, фрагментацией жидкости и возникающим в результате закономерным распространением, вызванным каплями дождя. По словам Буруиба, эта модель может в конечном итоге помочь фермерам спроектировать поля с чередованием культур.
В то время как практика поликультуры традиционно полагалась на сокращение распространения болезней путем чередования растений с различной устойчивостью к патогенам, Буруиба говорит, что внутренние механические свойства — а не биологическая иммунология — сами по себе могут помочь сдержать распространение болезни.«Если бы это было сделано оптимально, в идеале можно было бы полностью сократить распространение только до одного соседнего растения, и оно бы там погибло», — говорит Буруиба. «Одно растение может играть роль щита и заражаться, но его механических свойств будет недостаточно, чтобы передать патоген на следующее растение. Таким образом, вы можете начать снижать эффективность распространения одного вида, продолжая использовать сельскохозяйственные площади. эффективно ".
Дон Эйлор, заслуженный ученый в области патологии растений и экологии на экспериментальной сельскохозяйственной станции Коннектикута в Нью-Хейвене, штат Коннектикут, говорит, что результаты Буруибы могут быть особенно полезны для борьбы с болезнями в небольших популяциях растений.«Это может помочь установить расстояние разделения для посевов небольших растений, таких как клубника, которые обычно сажают в непосредственной близости», — говорит Эйлор, который не участвовал в исследовании. «Фермеру также придется учитывать влияние брызг на пластиковую мульчу, часто используемую при выращивании таких культур.
В целом, это хорошее исследование, которое дает некоторые результаты, которые, безусловно, заслуживают дальнейшего изучения».