Красиво созданная архитектура не ограничивается построениями, созданными руками человека. Природа изобилует изысканными структурами, от спиралевидных фрактальных узоров морских ракушек до замысловатых сплетений нейронов в головном мозге.
Микроскопический мир содержит изрядную долю замысловатых узоров и узоров, таких как геометрические узоры на отдельных зернах пыльцы.
Ученые были очарованы этими замысловатыми структурами, которые меньше ширины человеческого волоса, но им еще предстоит определить, как формируются эти узоры и почему они выглядят именно так.
Исследователи из факультета физики и астрономии Пенсильванского университета разработали модель, которая описывает, как формируются эти закономерности и как пыльца превратилась в разнообразные структуры. Аспирантка Ася Раджа была первым автором исследования и работала с другим аспирантом Эриком М. Хорсли и бывший постдок Максим О. Лаврентович, который сейчас работает в Университете Теннесси.
Исследование провела доцент Элисон Суини.
Раджа проанализировал пыльцу сотен видов цветущих растений в базе данных микроскопов, в том числе ирис, поросенок, амарант и бугенвиллию.
Затем она разработала экспериментальный метод, который включал удаление внешнего слоя полисахаридных «соплей» с пыльцевых зерен и получение микроскопических изображений с высоким разрешением, которые выявили витиеватые детали пыльцы в микрометровом масштабе.
Первоначальная гипотеза Суини и Раджи заключалась в том, что пыльцевые сферы образованы механизмом коробления. Коробление возникает, когда материалы прочны снаружи, но податливы внутри, что приводит к усадке конструкции внутрь и образованию ямок или «изгибов» на поверхности.
Но собранные ими данные не соответствовали их первоначальной идее.
«Элисон научила меня, что с любой биологической системой вы должны действительно пристально смотреть на нее, чтобы точно понять, что происходит», – говорит Раджа о часах, которые она потратила на изучение изображений пыльцы. Одной из ключевых проблем при изучении пыльцы было взглянуть на проблему с новой точки зрения, чтобы подумать о том, что лежащая в основе физика может объяснить структуры.
Решение, опубликованное в Cell, представляет собой первую теоретическую основу, основанную на физике, для определения того, как формируются образцы пыльцы. Модель утверждает, что образцы пыльцы возникают в процессе, известном как разделение фаз, которое, как выяснили физики, также может генерировать геометрические узоры в других системах. Обычным примером разделения фаз является отделение сливок от молока; когда молоко остается комнатной температуры, сливки поднимаются наверх естественным образом без какой-либо дополнительной энергии, например, смешивания или встряхивания.
Раджа смог показать, что "по умолчанию" тенденция развития спор пыльцы заключается в разделении фаз, которое затем приводит к детализированным и вогнутым узорам. «Эти замысловатые узоры на самом деле могут быть просто счастливым следствием того, что система не вкладывает энергию», – говорит Раджа.
Однако, если растения приостанавливают этот естественный процесс формирования рисунка, выделяя, например, жесткий полимер, который предотвращает разделение фаз, они могут контролировать формы, которые образуют. Эти растения, как правило, имеют более гладкие и сферические споры пыльцы. Удивительно, но гладкие зерна пыльцы, требующие дополнительной энергии, встречаются чаще, чем декоративные зерна, что позволяет предположить, что гладкие зерна могут обеспечить эволюционное преимущество.
Эта биофизическая структура теперь позволит исследователям изучать гораздо более широкий класс биологических материалов.
Суини и ее группа увидят, могут ли одни и те же правила объяснить гораздо более сложные архитектуры в биологии, такие как щетина насекомых или клеточные стенки растений.
Группа Суини также работает с инженером по материалам Шу Яном из Школы инженерии и прикладных наук Пенна над разработкой материалов на основе пыльцы. «Материалы, похожие на пыльцу, часто обладают супергидрофобностью, поэтому вы можете очень сложно контролировать, как вода будет взаимодействовать с поверхностью», – говорит Суини. "Что круто в этом механизме, так это то, что он пассивен; если вы можете имитировать способ образования пыльцы, вы можете заставить полимеры идти туда, куда вы хотите, чтобы они шли сами по себе, без сложной инженерной мысли, которая является дорогостоящей и трудно воспроизвести."
Исследование было поддержано премией Фонда Кауфмана за новую инициативу, стипендией Packard Foundation, премией 1351935 Национального научного фонда CAREER и грантом Simons Investigator Grant.