Во всем мире растет интерес к использованию древесины в качестве более легкой и устойчивой альтернативы стали и бетона.
Хотя древесина используется в зданиях на протяжении тысячелетий, ее механические свойства пока не соответствуют всем современным строительным стандартам для крупных построек. Частично это объясняется ограниченным пониманием точной структуры древесных клеток.
Новые исследования привели к новым открытиям
Исследования, также определили растение Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) в качестве подходящей модели для содействия развитию лесоводства в будущем.
Кембриджские исследователи впервые запечатлели видимую наноструктуру живой древесины с помощью усовершенствованного низкотемпературного сканирующего электронного микроскопа.
Именно молекулярная архитектура древесины определяет ее прочность, но до сих пор мы не знали точного молекулярного расположения цилиндрических структур под названием макрофибриллы в клетках древесины.
Эта новая технология позволила увидеть состав макрофибрилл и различия в расположении молекул между растениями, а также понять, как это может повлиять на плотность и прочность древесины.
Обнаружение вторичных клеточных стен
Основными строительными блоками из древесины являются вторичные стены вокруг каждой деревянной ячейки, которые изготовлены из матрицы больших полимеров, называемой целлюлозой и гемицеллюлозой, и пропитаны лигнином.
Такие деревья, как гигантская секвойя, могут достичь своей огромной высоты только благодаря вторичным клеточным стенкам, которые обеспечивают жесткую структуру вокруг клеток в их стволах.
Также были использованы низкотемпературные сканирующие электронные микроскопы для получения изображения нанометрической архитектуры стенок древесных клеток в их живом состоянии. Это позволило выявить микроскопические детали макрофибрилл вторичной клеточной стенки, которые в 1000 раз уже, чем ширина человеческого волоса.
Для сравнения различных деревьев были собраны образцы древесины из ели, гингкона и тополя. Образцы замораживали до температуры минус 200°C для сохранения клеток в живом гидратированном состоянии, а затем покрывали ультратонкой платиновой пленкой толщиной три нанометра, чтобы обеспечить хороший видимый контраст под микроскопом.
Преимущества новых технологий
Это является значительным достижением по сравнению с ранее применявшимися методами и позволяет впервые увидеть гидратированные древесные клетки.
Выявлено, что у хвойных и твердых пород древесины имеются структуры макрофибры диаметром более 10 нанометров, и подтверждено, что они являются общими для всех исследованных деревьев.
Эта новая технология - мощный инструмент визуализации, помогающий понять различные процессы, лежащие в основе развития растений.
Предыдущая микроскопия древесины ограничивалась образцами обезвоженной древесины, которые перед получением снимка должны были быть либо высушены, либо нагреты, либо подвергнуты химической обработке.
Исследования растения Arabidopsis thaliana
К тому же проводятся съемки вторичных клеточных стенок Arabidopsis thaliana - растения, широко используемого в качестве стандартного эталонного растения для исследований генетики и молекулярной биологии.
Было обнаружено, что в нем также присутствуют заметные макрофибриллярные структуры. Это открытие означает, что Arabidopsis может быть использован в качестве модели для дальнейших исследований древесной архитектуры.
Используя коллекцию растений Arabidopsis с различными мутациями, связанными с образованием вторичной клеточной стенки, группа смогла изучить участие специфических молекул в образовании и созревании макрофибрилл.
Это позволило определить участие различных молекул - целлюлозы, ксилана и лигнина - в образование и созревание макрофибрилл. В результате сейчас имеется лучшее представление о процессах, связанных со строительством клеточных стенок.
Богатые генетические ресурсы Arabidopsis являются ценным инструментом для дальнейшего изучения комплексного осаждения полимеров вторичных клеточных стенок и их роли в определении тонкой структуры клеточных стенок и процесса их созревания в древесину.
Визуализация молекулярной архитектуры дерева позволяет исследовать, как изменение расположения некоторых полимеров внутри него может изменить его прочность.
Понимание того, как компоненты древесины соединяются для создания сверхпрочных конструкций, важно как для понимания процесса созревания растений, так и для проектирования новых материалов.
По всему миру растет интерес к использованию древесины в качестве более легкого и экологически чистого строительного материала.
Если мы сможем увеличить прочность дерева, то сможем увидеть, как все больше крупных конструкций перейдут от стали и бетона к дереву.