Архитектурные планы здания определяют, что необходимо для того, чтобы оно не рухнуло. Но дизайн не только функционален: часто он еще и красив, с линиями и формами, которые могут удивить и вдохновить.
Красиво созданная архитектура не ограничивается структурами, созданными руками человека. Природа изобилует декоративными структурами, от спиралевидных фрактальных узоров морских раковин до замысловато переплетенных массивов нейронов в мозгу.
Микроскопический мир содержит немало замысловатых узоров и рисунков, таких как геометрические узоры на отдельных зернах пыльцы. Ученые были очарованы этими сложными структурами, которые меньше ширины человеческого волоса, но им еще предстоит определить, как формируются эти узоры и почему они выглядят именно так..
Исследователи с факультета физики и астрономии Пенсильванского университета разработали модель, которая описывает, как формируются эти узоры и как пыльца эволюционировала в разнообразные структуры. Аспирантка Ася Раджа была первым автором исследования и работала с коллегой-аспирантом Эриком М. Хорсли и бывшим постдоком Максимом О. Лаврентовичем, который сейчас работает в Университете Теннесси. Исследованием руководила доцент Элисон Суини.
Раджа проанализировал пыльцу сотен видов цветковых растений в базе данных микроскопии, включая ирис, амарант, амарант и бугенвиллею. Затем она разработала экспериментальный метод, который включал удаление внешнего слоя полисахаридных «соплей» с пыльцевых зерен и получение микроскопических изображений с высоким разрешением, которые показывали декоративные детали пыльцы по мере их формирования в микрометровом масштабе.
Первоначальная гипотеза Суини и Раджи заключалась в том, что пыльцевые сферы формируются с помощью механизма коробления. Изгиб происходит, когда материалы прочны снаружи, но податливы внутри, в результате чего структура сжимается внутрь и образует выемки или «изгибы» на поверхности. Но собранные ими данные не соответствовали их первоначальной идее.
"Элисон научила меня тому, что с любой биологической системой нужно пристально вглядываться, чтобы точно понять, что происходит", - говорит Раджа о часах, которые она провела, изучая изображения пыльцы. Одной из ключевых проблем при изучении пыльцы было взглянуть на проблему со свежей точки зрения, чтобы подумать о том, какая физика может объяснить эти структуры.
Решение, опубликованное в журнале Cell, представляет собой первую основанную на теоретической физике основу для изучения того, как формируются узоры пыльцы. В модели утверждается, что узоры пыльцы возникают в результате процесса, известного как разделение фаз, который, как обнаружили физики, также может генерировать геометрические узоры в других системах. Повседневным примером разделения фаз является отделение сливок от молока; когда молоко стоит при комнатной температуре, сливки естественным образом поднимаются наверх без какой-либо дополнительной энергии, такой как перемешивание или встряхивание.
Раджа смог показать, что «по умолчанию» тенденция развития спор пыльцы состоит в том, чтобы подвергаться фазовому разделению, которое затем приводит к детальным и вогнутым узорам. «Эти замысловатые паттерны на самом деле могут быть просто счастливым следствием того, что в систему не вкладывается энергия», - говорит Раджа.
Однако, если растения приостанавливают этот естественный процесс формирования узора, выделяя, например, жесткий полимер, который предотвращает разделение фаз, они могут контролировать формирующиеся формы. Эти растения, как правило, имеют более гладкие и сферические споры пыльцы. Удивительно, но гладкие пыльцевые зерна, требующие дополнительной энергии, встречаются чаще, чем узорчатые 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 те же самые правила объяснить гораздо более сложные биологические структуры, такие как щетинки насекомых или клеточные стенки растений.
Группа Суини также работает с инженером по материалам Шу Янгом 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 хорошо в этом механизме, так это то, что он пассивен; если вы можете имитировать способ формирования пыльцы, вы можете заставить полимеры идти туда, куда вы хотите, без необходимости делать сложные инженерные решения, которые дороги и трудно воспроизводимы».
Исследование было поддержано премией Фонда Кауфмана за новую инициативу, стипендией Фонда Паккарда, премией Национального научного фонда КАРЬЕРА 1351935 и грантом исследователя Саймонса.