Ученые из лаборатории Sainsbury Кембриджского университета обнаружили, что минерал ватерит, форма (полиморф) карбоната кальция, является доминирующим компонентом защитной серебристо-белой корки, образующейся на листьях ряда альпийских растений, которые являются частью национальной коллекции сада европейских видов камнеломок.
Встречающийся в природе ватерит редко встречается на Земле. Небольшие количества кристаллов ватерита обнаружены в некоторых морских и пресноводных ракообразных, птичьих яйцах, внутренних ушах лосося, метеоритах и камнях. Это первый случай, когда редкий и нестабильный минерал был обнаружен в таком большом количестве, и впервые было обнаружено, что он связан с растениями.
Открытие было сделано в результате сотрудничества Кембриджского университета между лабораторией Sainsbury, лабораторией микроскопии Кембриджского университета и ботаническим садом Кембриджского университета, в рамках продолжающегося исследовательского проекта, направленного на изучение внутренней работы растений в саду с использованием новой микроскопии. технологии. Результаты исследования опубликованы в последнем выпуске Flora.
Управляющий лабораторией микроскопии, доктор Рэймонд Вайтман, сказал, что ватерит представляет интерес для фармацевтической промышленности: «Биохимики работают над синтетическим производством ватерита, поскольку он может использоваться для доставки лекарств, но это непросто. Ватерит обладает особыми свойствами, которые делают его потенциально превосходным носителем для лекарств благодаря его высокой нагрузочной способности, высокому поглощению клетками и свойствам растворимости, которые позволяют ему доставлять пациентам устойчивое и целенаправленное высвобождение терапевтических лекарств. наночастицы, нагруженные противораковыми препаратами, медленно высвобождают лекарство только в местах рака и, следовательно, ограничивают негативные побочные эффекты лекарства."
Другие потенциальные области применения ватерита включают улучшение качества цемента, используемого в ортопедической хирургии, и промышленное применение, улучшающее качество бумаги для струйной печати за счет уменьшения бокового растекания чернил.
Доктор Вайтман сказал, что ватерит часто ассоциируется с космическим пространством и был обнаружен в планетарных объектах Солнечной системы и метеоритах: «Ватерит не очень стабилен во влажной атмосфере Земли, поскольку он часто превращается в более распространенные формы кальция. карбонат, такой как кальцит. Это делает еще более примечательным, что мы нашли ватерит в таких больших количествах на поверхности листьев растений».
Научный руководитель Ботанического сада по альпийским и лесным массивам Пол Астон и его коллега Саймон Уоллис вместе с доктором Вайтманом проводят новаторские исследования структур этих альпийских растений на клеточном уровне. Г-н Уоллис, который также является председателем Международного общества камнеломок, сказал: «Мы начали с отбора проб как можно большего числа видов камнеломок из нашей коллекции. Анализ растительного материала под микроскопом привел к захватывающему открытию, что некоторые растения выделяли ватерит из «меловых желез» (гидатод) на краях своих листьев. Затем мы заметили появление закономерности. Растения, производящие ватерит, были из секции камнеломки под названием Порфирион. Кроме того, оказывается, что, хотя многие виды в этой секции производили ватерит вместе с кальцитом, по крайней мере один вид, Saxifraga sempervivum, производил чистый ватерит».
Д-р Вайтман сказал, что две новые единицы оборудования в лаборатории микроскопии использовались для выявления внутренней работы растений и выявления клеточных структур, которые ранее не описывались: «Наш криосканирующий электронный микроскоп позволяет нам просматривать в большом детали, клетки и растительные ткани в их «родном» полностью гидратированном состоянии путем быстрого замораживания образцов и поддержания холода в вакууме для электронной микроскопии Мы также используем рамановский микроскоп для идентификации и картирования молекул. В этом случае микроскоп не только идентифицировал признаки, соответствующие карбонату кальция, формирующему корку, но также смог различить формы кальцита и ватерита, когда он присутствовал в виде смеси, все еще прикрепленной к поверхности листа».
Так почему же эти виды образуют кристаллическую корку карбоната кальция и почему некоторые корки являются кальцитом, а другие - ватеритом?
Команда ботанического сада Кембриджского университета надеется ответить на этот вопрос путем дальнейшего анализа анатомии листа группы Saxifraga. Они подозревают, что ватерит может присутствовать на большем количестве видов растений, но этот неустойчивый минерал превращается в кальцит под воздействием ветра и дождя. Это также может быть причиной того, что в некоторых растениях одновременно присутствуют и ватерит, и кальцит.
Исследования под микроскопом также выявили некоторые новые клеточные структуры. Г-н Астон добавил: «Помимо производства ватерита, Saxifraga scardica имеет особую ткань, окружающую край листа, которая, кажется, отклоняет свет от края в лист. Клетки, по-видимому, производят новые структуры клеточных стенок для достижения этого отклонения. Это может помочь растению получить больше света, особенно если оно растет в полутени».
Команда считает, что новые структуры клеточных стенок камнеломок однажды могут помочь в производстве новых биологических оптических устройств и фотонных структур для промышленности, такой как кабели связи и волоконная оптика.
Г-н Астон сказал, что эти первоначальные открытия были только началом: «Мы ожидаем, что могут быть другие растения, которые также производят ватерит и имеют особую анатомию листьев, которые эволюционировали в суровых условиях, таких как альпийские регионы. Следующим видом, который мы будем В поисках изучения находится Saxifraga lolaensis, у которого очень крошечные листья с организацией типов клеток, невиданных ранее в листе, и которые, как мы думаем, раскроют более захватывающие секреты сложности растений».
Существует риск того, что некоторые из этих крошечных, но удивительных альпийских растений потенциально могут исчезнуть из-за изменения климата, ущерба, нанесенного альпийскими видами спорта и чрезмерным сбором урожая. Об этих растениях еще многое предстоит узнать, но совместная работа лаборатории Сейнсбери и команды ботанического сада Кембриджского университета раскрывает захватывающую информацию об анатомии и биохимии листьев, а также демонстрирует потенциал камнеломок в качестве источника нового ряда биоматериалов.