Последние исследования показали, что у некоторых распространенных видов цветов на поверхности лепестков есть наноразмерные гребни, которые мешают свету, если смотреть под определенным углом.
Эти наноструктуры рассеивают световые частицы в диапазоне от синего до ультрафиолетового цветового спектра, создавая тонкий эффект, который ученые окрестили «голубым ореолом».
Производя искусственные поверхности, имитирующие «голубые ореолы», ученые смогли протестировать воздействие на опылителей, в данном случае на собирающих пищу шмелей. Они обнаружили, что пчелы могут видеть синий ореол и использовать его как сигнал для более эффективного обнаружения цветов.
В то время как гребни и бороздки на поверхности лепестков выстраиваются рядом друг с другом, «как пачка сухих спагетти», при анализе различных видов цветов исследователи обнаружили, что эти бороздки сильно различаются по высоте, ширине и расположению между ними. производят аналогичный эффект «голубого ореола».
На самом деле даже на одном лепестке эти управляющие светом структуры оказались на удивление нерегулярными. Это явление физики описывают как «беспорядок».
Исследователи пришли к выводу, что эти «беспорядочные» наноструктуры лепестков, вероятно, эволюционировали независимо много раз у разных видов цветковых растений, но достигли одного и того же яркого результата, который увеличивает видимость для опылителей - пример того, что известно как «конвергентная эволюция».
Исследование было проведено междисциплинарной группой ученых из отделов наук о растениях, химии и физики Кембриджского университета вместе с коллегами из Королевского ботанического сада Кью и Института Адольфа Меркеле в Швейцарии.
Выводы опубликованы сегодня в журнале Nature.
"Мы всегда предполагали, что беспорядок, который мы видели на поверхности наших лепестков, был просто случайным побочным продуктом жизни - что цветы не могут быть лучше", - сказал старший автор профессор Беверли Гловер, ученый-растениевод и директор. Кембриджского ботанического сада.
"Настоящим сюрпризом стало то, что именно расстройство само по себе генерирует важный оптический сигнал, который позволяет пчелам более эффективно находить цветы."
"Как биолог, я иногда ловлю себя на том, что извиняюсь перед коллегами-физиками за беспорядок в живых организмах - насколько беспорядочным может казаться их развитие и строение тела."
«Однако беспорядок, который мы наблюдаем в наноструктурах лепестков, кажется, был использован эволюцией и в конечном итоге способствует общению цветов с пчелами», - сказал Гловер.
Все цветковые растения относятся к линии «покрытосеменных». Исследователи проанализировали некоторые из самых ранних расходящихся растений из этой группы и не обнаружили гребней лепестков, образующих гало.
Тем не менее, они обнаружили несколько примеров лепестков с ореолом среди двух основных групп цветков (однодольных и эвдикотовых), появившихся в меловой период более 100 миллионов лет назад, что совпадает с ранней эволюцией посещающих цветы насекомых, в частности пчелы, сосущие нектар.
«Наши результаты показывают, что гребни лепестков, которые создают «голубые ореолы», много раз эволюционировали в разных цветочных линиях, и все они сходятся на этом оптическом сигнале для опылителей», - сказал Гловер.
Виды, на лепестках которых группа обнаружила ореол, включали Oenothera stricta (разновидность примулы вечерней), Ursinia speciosa (представитель семейства Маргаритки) и Hibiscus trionum (известный как «Цветок-из- час').
Все проанализированные цветы выявили значительный уровень очевидного «беспорядка» в размерах и расположении их лепестковых наноструктур.
«Огромное разнообразие анатомии лепестков в сочетании с неупорядоченными наноструктурами предполагает, что разные цветы должны иметь разные оптические свойства», - сказала доктор Сильвия Виньолини с химического факультета Кембриджа, возглавлявшая группу физиков исследования.
"Однако мы заметили, что все эти лепестковые структуры производят схожий визуальный эффект в диапазоне длин волн от синего до ультрафиолетового - синее гало."
Предыдущие исследования показали, что многие виды пчел имеют врожденное предпочтение цветов в фиолетово-синем диапазоне. Однако у растений не всегда есть средства для производства синих пигментов.
«Многим цветам не хватает генетической и биохимической способности манипулировать химическим составом пигментов в диапазоне от синего до ультрафиолетового спектра», - сказал Виньолини. «Присутствие этих неупорядоченных фотонных структур на их лепестках обеспечивает альтернативный способ генерации сигналов, привлекающих насекомых».
Исследователи искусственно воссоздали наноструктуры «голубого ореола» и использовали их в качестве поверхностей для искусственных цветов. На «полетной арене» в кембриджской лаборатории они проверили, как шмели реагируют на поверхности с ореолами и без них.
Их эксперименты показали, что пчелы могут чувствовать разницу, быстрее находя поверхности с ореолами, даже если оба типа поверхностей были окрашены одним и тем же черным или желтым пигментом.
Используя поощрительный сахарный раствор в одном типе искусственных цветов и горький раствор хинина в другом, ученые обнаружили, что пчелы могут использовать синий ореол, чтобы узнать, какой тип поверхности имеет награду.
«Зрительные системы насекомых отличаются от человеческих», - объясняет Эдвиг Мойруд из Кембриджского факультета наук о растениях и ведущий автор исследования. «В отличие от нас, у пчел повышена активность фоторецепторов в синей и ультрафиолетовой частях спектра».
"Люди могут идентифицировать некоторые голубые ореолы - те, которые исходят от темных пигментированных цветов. Например, "черный" сорт тюльпана, известный как "Королева ночи"."
"Однако мы не можем отличить желтый цветок с голубым ореолом от цветка без него, но наше исследование показало, что шмели могут", - сказала она.
Команда говорит, что результаты открывают новые возможности для развития поверхностей, которые хорошо видны опылителям, а также для изучения того, как живые растения контролируют уровень беспорядка на поверхности своих лепестков.«Биология развития этих структур - настоящая загадка», - добавил Гловер.