Optika v botanice: Strukturní barva bobulí kalina obecná / Habr

S čím si spojujete léto? Pro některé je to období dlouho očekávané dovolené, pro jiné – prázdnin a pro další – horka, dusna a nepohodlí. Pokud bereme léto z hlediska gastronomie, pak je to období zeleniny, ovoce a bobulovin, které milujeme nejen pro jejich chuť a zdravotní přínosy, ale i pro jejich vzhled. Jak víme ze základního kurzu biologie, plody mnoha rostlin mají určité vlastnosti, jejichž účelem je přilákat potenciálního gurmána. To je důležitá součást taktiky rozšiřování pěstební plochy. Velká většina ovoce má jasnou a šťavnatou barvu, která svědčí o jejich lahodnosti. Hlavním zdrojem té či oné barvy v bobulích jsou pigmenty ve slupce, ale to není jediná technika barvení. Vědci z Bristolské univerzity zjistili, že kalina vavřínolistá (Weigelia florida) využívá lipidové nanostruktury v buněčných stěnách k barvení svých bobulí, což je dříve neznámá forma strukturálního zbarvení. Co je na těchto lipidových nanostrukturách tak neobvyklého, že dávají bobulím jejich tmavě modrou barvu, a jaké praktické využití má tento objev? Zpráva vědců tyto otázky osvětlí. Pojďme na to.

Výsledky výzkumu

Hlavní postavou tohoto díla je kalina vavřínovolistá (Weigelia florida Kalina (Viburnum tinus) je stálezelený keř nebo strom dorůstající výšky až 6 metrů, rostoucí ve Středomoří.

Kalina tinus během kvetení.

Kalina lesní (Viburnum tinus) plodí několikrát do roka tmavě modré bobule, které poskytují potravu mnoha druhům ptáků, včetně pěnice chechtavé (Sylvia atricapilla) a červenky obecné (Erithacus rubecula). Stejně jako jiné bobulovité rostliny, ani kalina ptáky nepřitahuje. V.tinus jsou hlavní metodou šíření semen na nová území.

Sylvia atricapilla (vlevo) a Erithacus rubecula (vpravo).

Na první pohled není na této rostlině nic zvláštního. Krásný stálezelený keř, který potěší estéty mezi lidmi a gurmány mezi ptáky. Podrobné zkoumání bobulí však naznačuje opak. Zatímco jiné rostliny používají k barvení svých plodů různé chemické sloučeniny, kalina tinis používá strukturální zbarvení. Ačkoli se dříve věřilo, že modrá barva bobulí V.tinus způsobeno přítomností antokyanových pigmentů v jejich slupce, což samozřejmě není pravda.

Strukturální barvy jsou u zástupců fauny poměrně běžné: motýlí křídla, skořápky brouků, paví pera atd. Barva je v jejich případě tvořena nanoměřítkovými strukturálními vlastnostmi povrchu, které způsobují interferenci viditelného světla.

Příklady strukturálních barev v přírodě: А – ibišek trojúhelníkový; В — brouk tamamushi (Chrysochroa fulgidissima); С — motýl druhu Morpho rhetenor; D — komár obecný (Culex pipiens); Е – mořská myš (Aphrodita aculeata); F — brouk druhu Pachyrhynchus argus; G — motýl druhu Parides sesostris.

Zvláštností kalina tinová (Viburnum tinus), která upoutala pozornost vědců, je, že nejenže prokazuje nový mechanismus strukturálního zbarvení, ale je také jednou z mála rostlin, které jsou toho schopny.

Obrázek č. 1

Plody V.tinus (1C) odrážejí světlo směrově (dodávají mu kovový vzhled) v modré a ultrafialové oblasti spektra. Polarizace odraženého světla je do značné míry zachována, což naznačuje, že zbarvení je spíše strukturální než pigmentové, vyplývající z odrazu od vysoce strukturované buněčné stěny vnější epikarp* (2А).

Epicarp* — vnější vrstva plodu.

Při pitve této tkáně se uvolní tmavě červený antokyanový pigment. Světlo, které se neodráží od fotonické struktury, je absorbováno tmavě červeným pigmentem pod ní (2А и 3C).

Obrázek č. 2

Tato absorpce zabraňuje zpětnému rozptylu světla, zvyšuje viditelnost modrého odrazu od vnější buněčné stěny a tím vizuálně zesiluje modrou barvu.

Z těchto pozorování již můžeme usoudit, že barva plodu V.tinus je výsledkem kombinace fyzikální nanostruktury, která selektivně odráží modré světelné vlny, a základní vrstvy pigmentů zesilujících modrou barvu. Jinými slovy, spojení chemie a fyziky.

Charakterizovat nanostruktury, které vytvářejí modré zbarvení ovoce V.tinusVědci použili několik technik elektronové mikroskopie.

Skenovací elektronová mikroskopie čerstvých tkání (2А) jasně ukazuje přítomnost silné (10–30 μm) vícevrstvé struktury rovnoběžné s povrchem plodu a zapuštěné do buněčné stěny nejvzdálenějších epikarpálních buněk. Povrch plodu je pokryt voskovou kutikulou (2–6 μm), která překrývá vrstevnatou strukturu. Vrstevnatá architektura zabírá většinu vnější buněčné stěny v oblasti mezi kutikulou a primární buněčnou stěnou bohatou na celulózu. Vrstvy jsou silné 30 až 200 nm a pokrývají celou buňku.

Transmisní elektronová mikroskopie odhaluje, že tato architektura se skládá z několika vrstev drobných bublin, které se od matrice liší svou schopností rozptylu elektronů a indexem lomu.

Obrázek č. 3

Snímky ze skenovací a transmisní mikroskopie ukazují, že matrice zřejmě obsahuje klíčové složky typických buněčných stěn rostlin, konkrétně celulózu, hemicelulózu a pektin. Barvení rutheniovou červení (3D) vykazuje významný obsah pektinu a elektronový difrakční obrazec demonstruje přítomnost celulózy charakteristickými difrakčními kruhy přírodního krystalu celulózy.

Za zmínku stojí, že kontrastní vrstvy jsou oddělené a zůstávají od sebe odlišné, ale značný nepořádek je způsoben nerovnoběžnými sousedními vrstvami a nerovnoměrností jejich globulární struktury.

Tomografie buněčné stěny epidermis (2E) ukazuje, že tyto kulovité vezikuly jsou uspořádány do vzájemně propojených vrstev, skrze které zůstává celulózová buněčná stěna propojena můstky a filamenty (2B a video níže).

Model globulární vícevrstvé struktury (odpovídá obrázku 2D).

Z toho vyplývá, že kulovitá vícevrstvá struktura epidermis plodů V.tinus skládá se z lipidů zabudovaných do buněčné stěny pomocí různých metod.

Ultratenké řezy epidermis plodu byly poté vystaveny chloroformu. Tato analýza je velmi výmluvná, protože rozpustnost v nepolárních organických rozpouštědlech je jasnou indikací přítomnosti lipidů.

TEM snímky stejné části vzorku předtím (3A) a po (3B) expozice chloroformu ukazuje, že globulární struktura byla touto úpravou odstraněna. Na druhém snímku je kontrast globulární vícevrstvé fáze snížen a prázdné struktury v matrici zůstávají viditelné. Pro srovnání, expozice vodě nezměnila ultrastrukturu ani kontrast obrazu globulární vícevrstvé fáze, což naznačuje, že materiál lze extrahovat pouze nepolárními rozpouštědly. Navíc, když vědci použili imidazolem pufrovaný oxid osmia (C₃H₄N₂/OsO₄), který se váže na lipidy, byly globulární vrstvy obarveny, což potvrdilo jejich lipidovou povahu.

A když byla použita rutheniová červeně, která se váže na pektin, byla matrice buněčné stěny obarvena, zatímco globulární struktura byla odstraněna kvůli absenci imidazolového pufru.

Ve všech variantách barvení použitých během studie byly kolem globul pozorovány tmavé obrysy (3E). Podle vědců to může naznačovat přítomnost lipidové membrány, teoreticky nezbytné na rozhraní mezi hydrofobními molekulami a hydrofilními polysacharidy sekundární buněčné stěny.

Vědci nám připomínají, že lipidy se skládají z různých molekulárních struktur, které se obvykle klasifikují jako vosky, tuky a oleje, v závislosti na jejich bodu tání.

Vosky se snadno nacházejí na povrchu epidermis rostlin a tvoří voděodolnou voskovou kutikulu. Vosky také obsahují mnoho molekulárních struktur, ale převládající složkou jsou alkany, které jsou prakticky nestravitelné, tj. nemají pro ptáky žádnou nutriční hodnotu. Tuky a oleje jsou naopak životně důležitými složkami potravy, protože obsahují mnohem více energie na jednotku objemu než škrob nebo bílkoviny. Tuky se obvykle nacházejí ve velkém množství v semenech, tj. hluboko uvnitř plodu.

V případě ovoce V.tinus Těsná blízkost globulární struktury k velkým, energeticky bohatým semenům a voskovité vnější kutikule činí rozlišení mezi voskem a tukem obzvláště důležitým pro pochopení funkčního významu a původu této struktury. Je proto nutné určit, zda lipidové globule představují nestravitelný vosk nebo nutriční tuky a oleje. K tomu byla použita světelná mikroskopie.

Řezy fetální tkáně V.tinus inkubováno s nilskou modří A (pigment, který barví oblast buněčné stěny bohatou na globule) V.tinus v modré nebo modrofialové barvě (3C). To naznačuje, že globule jsou volné mastné kyseliny, a nikoli kutinový polymer (součást kutikulární membrány), který by byl zbarven růžově nebo červeně.

Elektronový difrakční obrazec vícevrstvé globulární struktury navíc vykazuje zřetelný kruhový vzor, odlišný od vzoru buněčné stěny celulózy s jejími charakteristickými dvěma kruhy krystalů celulózy. Tento vzor naznačuje, že lipidová tělíska jsou pravděpodobně krystalické, a proto homogenní monomerní lipidy, spíše než polymerizované molekuly, jako je kutin.

Potvrdit, že pozorovaná smíšená struktura sestávající z celulózové matrice a lamelárních lipidových globul je zodpovědná za modrou odrazivost plodů V.tinusVědci modelovali jeho optickou odezvu. Za tímto účelem studovali dva matematické modely: dvourozměrné pole koulí a průměrování přes sadu jednorozměrných dvoufázových vícevrstev.

Obrázek č. 4

Pro modelování struktury ve dvourozměrném prostoru jako série kulových hvězdokup byl použit algoritmus reverzního inženýrství. Diagramy na 4A–4C odpovídají sousednímu modelovanému spektru odrazivosti. Tento algoritmus umožňuje nezávisle zavádět různé typy poruch do globulární vícevrstvé struktury laděním velikosti a struktury, tj. Fourierovy transformace poloh částic.

Během modelovacího procesu byly studovány následující: optická odezva vrstevnatých lipidových globul s různým stupněm variace průměru globul (4A); neuspořádanost v rozích mezi sousedními globulemi (parametr Sp, 4B) a neuspořádanost v průměrné vzdálenosti mezi sousedními globulemi (parametr Sk, 4C).

Úvod do různých typů poruch (4A–4C) měl vždy stejný vliv na optickou odezvu globulární multivrstvy, a to pokles intenzity píku.

Takže místo posuzování každého prvku poruchy samostatně, struktura a materiálové složení buněčné stěny V.tinus byly aproximovány neuspořádanými jednorozměrnými vícevrstvými strukturami s indexy lomu odpovídajícími celulóze (n = 1.55) a typickému rostlinnému lipidu (n = 1.47). Distribuce tloušťky obou materiálů je znázorněna na 4DA odrazivost modelovaná pomocí průměrných hodnot přes jednorozměrné vrstvy je znázorněna na obrázku. 4E.

Zavedení poruchy pozorované při měřeních průřezu do modelu koherentního uspořádaného reflektoru rozšiřuje jeho spektrum odrazivosti.

Pokud by model umožnil vědcům přesně pochopit, jak bobule V.tinus obdrží svou barvu, pak otázka týkající se potřeby takového mechanismu není modelováním pokryta.

Největší mezidruhová interakce probíhá v V.tinus spojené s ptáky, kteří se živí bobulemi této úžasné rostliny. Srovnání se spektrální citlivostí sýkory (1D) ukazuje, že barva bobulí je v rozmezí vizuálního významu pro ptáky tohoto druhu.

Bobule se samozřejmě nevznášejí ve vzduchu, ale jsou přichyceny k větvím, na kterých rostou listy – vizuální pozadí. Pozadí je do značné míry zelené, a to díky dominantnímu pigmentu chlorofylu v listech. Chlorofyl má širokou spektrální charakteristiku s vrcholem při 550 nm a nevýznamnou odrazivostí pod 500 nm, díky čemuž je barva plodů V.tinus chromaticky kontrastuje s listovím. Jinými slovy, na pozadí takových listů vypadají bobule ještě výrazněji.

Vzhledem k tomu, že vizuální podněty jsou pro ptáky často prioritou, lipidové strukturální zbarvení bobulí V.tinus může sloužit jako silný vizuální signál pro hladové ptáky.

Pokud vezmeme v úvahu, že barva potravy pro ptáky může být primárním parametrem poživatelnosti, pak barva bobulí V.tinus naznačuje, že jsou jedlé a výživné.

Vztah mezi barvou plodu a nutriční hodnotou byl studován již dříve. Podle některých údajů jsou tmavé plody rostlin v brazilské oblasti bohaté na sacharidy a tmavé plody ze středomořských rostlin jsou bohaté na lipidy.

Vědci se domnívají, že v tomto případě V.tinus Modrá barva je signálem, že bobule obsahují spoustu výživných lipidů, které mimochodem tuto barvu vytvářejí.

Vědci tuto metodu signalizace nazývají „poctivá“ nebo „přímá“, když kontext signálu odpovídá jeho zdroji (modrá barva způsobená lipidy – vysoký obsah lipidů). Tato metoda signalizace je poměrně drahá, protože použití klasické pigmentace by bylo pro rostlinu snazší. Výnos, který však získává V.tinus v podobě přitahování pozornosti ptáků různých druhů, zřejmě tento nedostatek kompenzuje.

Pro podrobnější pochopení nuancí studie doporučuji nahlédnout do zprávy vědců.

Epilog

Barva je důležitou součástí vizuálních informací, které živé organismy dostávají o světě kolem sebe. Mnoho zvířat používá své zbarvení k maskování, k přilákání partnerů nebo k odpuzování nepřátel. Rostliny také používají některé z těchto taktik, ale nejdůležitější je udržování mezidruhové komunikace. V případě V.tinus Ptáci jsou hlavními partnery této rostliny, nezbytní pro šíření semen na velké vzdálenosti, což výrazně zvětšuje pěstební plochu. V.tinus a tedy i šance na přežití druhu.

Chuť plodů mnoha rostlin závisí na tom, jak moc chtějí upoutat pozornost zvířat určitých druhů. Některé plody budou chutné například pro určité druhy ptáků, zatímco pro všechny ostatní budou prakticky nepoživatelné. V tak složitém systému, jako je mezidruhová komunikace, hraje důležitou roli stupeň koevoluce druhů rostlin a živočichů, které jej tvoří.

Modrá barva kalina vavřínolistá je dána jejím neobvyklým původem – lipidovými nanostrukturami obsaženými ve stěnách epidermálních buněk bobulí. V.tinusTato metoda barvení (strukturální), zejména v důsledku lipidů, byla dosud u rostlin nalezena pouze v V.tinusKromě toho může barvení lipidů ptákům napovědět o vysokém obsahu lipidů v bobulích, jakkoli to může znít podivně.

Poctivé signály, jejichž původ odpovídá kontextu, jsou poměrně vzácné. Vysvětlení této vzácnosti je celkem jednoduché. Představte si, že vlastníte pekárnu. Chcete přilákat více zákazníků, a tak rozdáváte letáky. Signál má tedy jeden kontext (naše housky jsou vynikající), ale jeho původ je jiný (nemám housku, ale něco lepšího – obrázek housky, tj. leták je jen kus papíru). Pokud rozdáváte housky, bude se jednat o poctivou signalizaci, ale mnohem dražší.

Dříve vícevrstvé lipidové architektury, jako například bobule V.tinus, nebyly v biomateriálu zaznamenány. V minulosti neexistovaly tak vyvinuté nástroje a metody jako dnes, proto bylo mnoho detailů zaznamenáno nesprávně nebo zcela přehlédnuto.

V budoucnu vědci hodlají analyzovat i další rostliny, které by teoreticky mohly mít podobné lipidové nanostruktury, a tedy i nekonvenční způsob barvení plodů. Vědci se navíc domnívají, že jejich výzkum by mohl přispět k vytvoření bezpečnějších potravinářských barviv.

Děkujeme za sledování, zůstaňte zvědaví a přeji všem krásný víkend!

Trochu reklamy

Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět další zajímavé materiály? Podpořte nás zadáním objednávky nebo doporučením přátelům, cloudové VPS pro vývojáře od 4.99 $, jedinečný analog serverů základní úrovně, který jsme pro vás vymysleli: Celá pravda o VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 jader) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps od 19 USD aneb jak správně sdílet server? (možnosti dostupné s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2krát levnější v datovém centru Equinix Tier IV v Amsterdamu? Pouze zde 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV od 199 $ v Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Přečtěte si o tématu Jak vybudovat podnikovou infrastrukturu. třídy pomocí serverů Dell R730xd E5-2650 v4, které stojí 9000 XNUMX eur za haléře?