《Cell》复杂生物建筑背后的物理学

【字体: 时间:2019年02月12日 来源:生物通

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  “Alison教会我在任何生物系统中你都必须认真地盯着它看,才能弄清楚到底发生了什么,”Radja说。研究花粉的一个关键挑战是用一个新视角来看待这个问题,以便思考解释花粉结构的物理学。

  

一座建筑物的建筑平面图标示出了预防它倒塌的东西,设计的初衷不仅仅是实用,它们还有美观上的追求,线条和形状也可以让人感到惊奇和欢欣鼓舞。

大自然充满了做工精美的华丽结构,从贝壳的螺旋分形图案到大脑中错综复杂的神经元阵列。

微观世界里存在着一批复杂的图案和设计,例如花粉粒上的几何图案。科学家对这些比人类头发宽度还小的精细结构非常着迷,但至今还没有人确定这些图案是如何形成的,以及它们排列成这样的原因。

宾夕法尼亚大学天文物理系的研究人员最近描述了一个模型。研究生Asja Radja是这项研究的第一作者,她与同为研究生的Eric M. Horsley和前博后研究员Maxim O. Lavrentovich(现在田纳西大学工作)合作,在副教授Alison Sweeney的指导下完成了这项工作。

Radja在显微镜数据库中分析了数百种开花植物的花粉。然后她开发了一种实验方法,包括从花粉粒中去除多糖“鼻涕”,并拍摄高分辨率图像,以微米尺度展示花粉的华丽细节。

Sweeney和Radja最初的假设是,花粉由一个弯曲机制形成,材料外部很坚固,内部却很柔软时,就会发生屈曲,导致结构向内收缩,并在表面形成凸起或“弯曲”。但是,根据收集数据,事实情况跟他们最初的设想并不一致。

“Alison教会我在任何生物系统中你都必须认真地盯着它看,才能弄清楚到底发生了什么,”Radja说。研究花粉的一个关键挑战是用一个新视角来看待这个问题,以便思考解释花粉结构的物理学。

这篇《Cell》文章代表了花粉形态形成的第一个基于理论物理学的框架。该模型指出花粉模式是通过一个名为“相分离(phase separation)”的过程产生的。物理学家发现该过程也可以在其他系统中产生几何模式。相分离的一个日常例子是乳脂与牛奶的分离:当牛奶放置在室温下时,无需额外能量(如摇晃或混合),乳脂就会自然上升到表面。

Radja证明,花粉孢子发育的默认趋势就是一个相分离的过程。这些错综复杂的模式实际上是不需要任何能量投入,就能产生的令人愉快的结果,Radja说。

然而,如果植物通过分泌一种阻止相分离的硬聚合物来中止自然形成模式的话,它们就可以控制花粉的形态,例如更光滑、更球形。令人惊讶的是光滑的花粉需要额外的能量,而华丽的花粉却更常见。这表明,光滑的花粉颗粒可能提供某些进化优势。

该生物框架将用于研究更大范围的生物材料,例如昆虫的刚毛或植物的细胞壁。

Sweeney团队还在与宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的材料工程师Shu Yang合作开发拟花粉材料。“像花粉一样的物质通常具有超疏水性,最酷的是这种机制是被动的,如果你能模仿花粉的形成方式,你就可以让聚合物自己去你想让它们去的地方,而不必做难以复制且昂贵的复杂反应。”

原文检索:Pollen Cell Wall Patterns Form from Modulated Phases

(生物通:伍松)

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