Химики из Китая проследили за тем, как шишки хвойных деревьев деформируются в зависимости от влажности среды. Они выяснили, что за очень медленную и незаметную для глаз деформацию отвечают два вида микротрубочек, расположенных параллельно в каждой шишечной чешуйке. Также авторы изготовили мягкий подвижный механизм, способный медленно деформироваться так же, как это делают шишки. Исследование опубликовано в Nature Materials.
Части некоторых растений легко деформируются при изменении внешних условий. Например, листья и цветки большинства растений при увеличении освещенности открываются и поворачиваются к источнику света. А шишки голосеменных растений закрываются при увеличении влажности, а потом снова открываются при высыхании — такой механизм помогает семенам внутри шишки оставаться невредимыми в неблагоприятных условиях среды.
Шишки деформируются очень медленно — обычно полное раскрытие или закрытие чешуек занимает около суток. И химики под руководством Вана Шу Тао (Wang Shutao) из Университета Китайской академии наук решили изучить, как работает настолько медленная и равномерная деформация. Для исследования они выбрали шишки сосны Эллиота (Pinus elliottii).
Сначала ученые отделили от шишки несколько чешуек и проверили, могут ли они деформироваться во влажном воздухе сами по себе. Оказалось, что чешуйки по отдельности деформируются не хуже, чем целая шишка. Затем химики выяснили, что если отделить от чешуйки верхний слой, состоящий из мертвых клеток склереидов, то способность к деформации сохранится. Так авторам стало ясно, что за деформацию отвечают клетки проводящих пучков, из которых состоит внутренний слой чешуек.
Чтобы подробнее исследовать механизм деформации, химики решили посмотреть на структуру проводящих пучков с помощью сканирующего электронного микроскопа. Они изучили внутреннее строение чешуйки и выяснили, что в ней есть два типа микротрубочек, расположенных параллельно друг другу. Одни имеют квадратную форму и гладкую внутреннюю поверхность, а другие — круглой формы и изнутри содержат утолщения, напоминающие спираль пружины.
Далее ученым удалось отделить микротрубочки от чешуек и исследовать их деформацию. С помощью микроскопии они выяснили, что круглые микротрубочки при увеличении влажности удлиняются примерно в 10 раз быстрее квадратных. При этом за счет того, что квадратные и круглые микротрубочки связаны общей стенкой, обе трубочки выпрямляются. А когда влажность понижается, длина круглой микротрубочки уменьшается, и обе трубочки сгибаются.
Чтобы подтвердить предложенный механизм, химики распечатали на 3D-принтере связанные друг с другом столбики из гигроскопичного полимера. При этом структура столбиков была такая же, как у микротрубочек. Ученые пронаблюдали за деформацией столбиков при изменении влажности среды, и оказалось, что столбики ведут себя так же, как трубочки внутри шишек. То есть, за деформацию отвечали в основном круглые столбики, а квадратные практически не меняли форму.
В результате химики подробно изучили механизм деформации шишек при изменении влажности среды и на его основе сконструировали подвижный механизм, способный равномерно деформироваться в 100 раз медленнее, чем уже известные механизмы, реагирующие на влажность среды.
Ранее мы рассказывали о том, как группа немецких ботаников, архитекторов и инженеров разработала теоретическую базу для создания подвижной конструкции, которая функционально повторяет механизм закрывания шишек.