Kwiaty mają tajny sygnał, który jest specjalnie dostosowany dla pszczół, aby wiedzieli, gdzie zbierać nektar. A nowe badania dały nam lepszy wgląd w działanie tego sygnału. Nanoskalowe wzory na płatkach odbijają światło w sposób, który skutecznie tworzy „niebieską aureolę” wokół kwiatu, która pomaga przyciągnąć pszczoły i zachęca do zapylania.
To fascynujące zjawisko nie powinno zbytnio zaskoczyć naukowców. Rośliny są w rzeczywistości pełne tego rodzaju „nanotechnologii”, która umożliwia im robienie wszelkiego rodzaju niesamowitych rzeczy, od czyszczenia się po generowanie energii. Co więcej, badając te systemy, możemy być w stanie wykorzystać je w naszym własne technologie.
Większość kwiatów wydaje się kolorowa, ponieważ zawierają pigmenty pochłaniające światło, które odbijają tylko określone długości fal światła. Ale niektóre kwiaty używają również opalizacji, innego rodzaju koloru powstającego, gdy światło odbija się od mikroskopijnie rozmieszczonych struktur lub powierzchni.
Przesuwające się kolory tęczy, które można zobaczyć na płycie CD, są przykładem opalizacji. Jest to spowodowane interakcjami między falami świetlnymi odbijającymi się od blisko rozmieszczonych mikroskopijnych wgłębień na powierzchni, co oznacza, że niektóre kolory stają się bardziej intensywne kosztem innych. Wraz ze zmianą kąta widzenia wzmacniane kolory zmieniają się, dając efekt migotania i morfingu kolorów.
Pszczoły widzą niebieską aureolę wokół fioletowego regionu. (Edwige Moyroud) Wiele kwiatów używa rowków w odległości od jednej do dwóch tysięcznych milimetra od siebie w powłoce woskowej na swojej powierzchni, aby wytworzyć opalizowanie w podobny sposób. Ale badacze badający sposób, w jaki niektóre kwiaty używają opalizacji, aby przyciągnąć pszczoły do zapylania, zauważyli coś dziwnego. Odstępy i wyrównanie rowków nie były tak idealne, jak się spodziewano. I nie były całkiem doskonałe w bardzo podobny sposób we wszystkich rodzajach kwiatów, na które patrzyli.
Te niedoskonałości oznaczały, że zamiast dawać tęczę jak CD, wzory działały znacznie lepiej dla światła niebieskiego i ultrafioletowego niż inne kolory, tworząc coś, co naukowcy nazwali „niebieskim aureolą”. Nie było powodu, by podejrzewać, że to nie była zbieg okoliczności.
Postrzeganie kolorów przez pszczoły jest przesunięte w kierunku niebieskiego końca spektrum w porównaniu do naszego. Pytanie brzmiało, czy wady we wzorach woskowych zostały „zaprojektowane” do generowania intensywnego błękitu, fiołków i ultra-fiołków, które pszczoły widzą najsilniej. Ludzie czasami widzą te wzory, ale zwykle są dla nas niewidoczne na tle czerwonych lub żółtych pigmentów, które wyglądają znacznie ciemniej dla pszczół.
Naukowcy przetestowali to, szkoląc pszczoły, aby kojarzyły cukier z dwoma rodzajami sztucznego kwiatu. Jeden miał płatki wykonane przy użyciu idealnie wyrównanych kratek, które dawały normalne opalizowanie. Drugi miał wadliwe układy odwzorowujące niebieskie aureole z różnych prawdziwych kwiatów.
Odkryli, że chociaż pszczoły nauczyły się kojarzyć opalizujące sztuczne kwiaty z cukrem, lepiej i szybciej nauczyły się z niebieskimi aureolami. Fascynujące wydaje się, że wiele różnych rodzajów roślin kwitnących mogło ewoluować tę strukturę osobno, przy czym każda z nich wykorzystuje nanostruktury, które nieco nieprzyjemnie opalizują w celu wzmocnienia ich sygnałów dla pszczół.
Poczekaj minutę! To nie jest kwiat. (Edwige Moyroud) **********
Rośliny rozwinęły wiele sposobów wykorzystania tego rodzaju struktur, skutecznie czyniąc je pierwszymi nanotechnologami w naturze. Na przykład woski, które chronią płatki i liście wszystkich roślin, odpychają wodę, właściwość znaną jako „hydrofobowość”. Ale w niektórych roślinach, takich jak lotos, właściwość ta jest wzmacniana przez kształt powłoki woskowej w sposób, który skutecznie czyni go samoczyszczącym.
Wosk jest ułożony w szereg struktur przypominających stożki o wysokości około pięciu tysięcznych milimetra. Są one z kolei pokryte fraktalnymi wzorami wosku w jeszcze mniejszych skalach. Kiedy woda ląduje na tej powierzchni, nie może się w ogóle do niej przyczepić, dlatego tworzy kuliste krople, które toczą się po liściu, zbierając brud po drodze, aż spadną z krawędzi. Nazywa się to „superhydrofobowością” lub „efektem lotosu”.
**********
Wewnątrz roślin istnieje inny rodzaj nanostruktury. Gdy rośliny pobierają wodę z korzeni do komórek, ciśnienie narasta w komórkach, aż osiąga poziom 50–100 metrów pod powierzchnią morza. Aby utrzymać te ciśnienia, komórki są otoczone ścianą opartą na wiązkach łańcuchów celulozowych o średnicy od pięciu do 50 milionowych milimetra, zwanych mikrowłóknami.
Poszczególne łańcuchy nie są tak silne, ale po uformowaniu w mikrofibryle stają się tak mocne jak stal. Mikrofibryle są następnie osadzane w matrycy innych cukrów, tworząc naturalny „inteligentny polimer”, specjalną substancję, która może zmieniać swoje właściwości, aby roślina mogła rosnąć.
Ludzie zawsze używali celulozy jako naturalnego polimeru, na przykład w papierze lub bawełnie, ale naukowcy opracowują obecnie sposoby uwalniania poszczególnych mikrofibryli w celu stworzenia nowych technologii. Ze względu na swoją wytrzymałość i lekkość ta „nanoceluloza” może mieć szeroki zakres zastosowań. Należą do nich lżejsze części samochodowe, niskokaloryczne dodatki do żywności, rusztowania do inżynierii tkankowej, a może nawet urządzenia elektroniczne, które mogą być cienkie jak kartka papieru.
Być może najbardziej zadziwiającą nanostrukturą roślinną są systemy do pozyskiwania światła, które wychwytują energię świetlną do fotosyntezy i przenoszą ją do miejsc, w których można ją wykorzystać. Rośliny są w stanie przenosić tę energię z niewiarygodną wydajnością 90 procent.
Mamy teraz dowody, że dzieje się tak, ponieważ dokładne rozmieszczenie elementów systemów do zbierania światła pozwala im na wykorzystanie fizyki kwantowej do testowania wielu różnych sposobów jednoczesnego przemieszczania energii i znalezienia najbardziej efektywnej. Zwiększa to pomysł, że technologia kwantowa może pomóc w zapewnieniu wydajniejszych ogniw słonecznych. Jeśli więc chodzi o rozwój nowej nanotechnologii, warto pamiętać, że rośliny mogły się tam dostać jako pierwsze.
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation.
Stuart Thompson, starszy wykładowca biochemii roślin, University of Westminster
