Womit verbinden Sie den Sommer? Für einige ist dies eine Zeit lang erwarteter Ferien, für jemanden - einen Urlaub und für jemanden - Hitze, Verstopfung und Unbehagen. Wenn wir den Sommer aus gastronomischer Sicht betrachten, dann ist dies die Zeit der Gemüse, Früchte und Beeren, die wir nicht nur wegen ihres Geschmacks und ihrer Vorteile, sondern auch wegen ihres Aussehens lieben. Wie wir aus dem ersten Kurs in Biologie wissen, haben die Früchte vieler Pflanzen bestimmte Eigenschaften, deren Zweck es ist, einen potenziellen Feinschmecker anzulocken. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der Taktik zur Erweiterung des Anbaugebiets. Die überwiegende Mehrheit der Früchte hat eine helle und saftige Farbe, was auf ihre Güte hinweist. Die Hauptquelle für diese oder jene Farbe in Beeren sind Pigmente in der Schale, aber dies ist nicht die einzige Färbetechnik. Wissenschaftler der Universität Bristol haben herausgefunden, dass Lorbeer Viburnum ( Viburnum tinus) verwendet Lipidnanostrukturen in Zellwänden, um ihre Beeren zu färben, eine bisher unbekannte Variante der Strukturfärbung. Was ist so ungewöhnlich an diesen Lipid-Nanostrukturen, die Beeren eine dunkelblaue Farbe verleihen, und was ist die praktische Anwendung dieser Entdeckung? Der Bericht von Wissenschaftlern wird diese Fragen beleuchten. Gehen.
Forschungsergebnisse
Der Protagonist dieser Arbeit ist der Lorbeer viburnum ( Viburnum tinus / viburnum tinus) - ein immergrüner Busch oder Baum mit einer Höhe von bis zu 6 Metern, der im Mittelmeerraum wächst.
Viburnum tinus während der Blüte.
Viburnum tinus trägt mehrmals im Jahr Früchte mit dunkelblauen Beeren und bietet Nahrung für viele Vogelarten, darunter den Schwarzkopfsänger (Sylvia atricapilla) und das Rotkehlchen (Erithacus rubecula). Wie bei jeder anderen Beerenpflanze sind Vögel für V. tinus viburnum die Hauptmethode, um Samen in neue Gebiete zu verbreiten.
Sylvia atricapilla (links) und Erithacus rubecula (rechts).
Auf den ersten Blick ist an dieser Pflanze nichts Besonderes. Ein wunderschöner immergrüner Strauch, der Ästhetiker unter Menschen und Feinschmecker unter Vögeln begeistert. Eine detaillierte Untersuchung der Beeren legt jedoch etwas anderes nahe. Während andere Pflanzen andere chemische Verbindungen verwenden, um ihre Früchte zu färben, verwendet Viburnum tinus eine strukturelle Färbung. Obwohl früher angenommen wurde, dass die blaue Farbe von V. tinus- Beeren durch das Vorhandensein von Anthocyanpigmenten in ihrer Schale verursacht wird, ist dies natürlich nicht wahr.
Strukturfarben sind in der Fauna weit verbreitet: Schmetterlingsflügel, Käferschalen, Pfauenfedern usw. Die Farbe entsteht in ihrem Fall aufgrund der nanoskaligen Strukturmerkmale der Oberfläche, die eine Störung des sichtbaren Lichts verursachen.
Beispiele für Strukturfarben in der Natur: A.- dreieckiger Hibiskus (Hibiscus trionum); B - Tamamusi-Käfer (Chrysochroa fulgidissima); C - Schmetterling der Art Morpho Rhetenor; D - gemeine Mücke (Culex pipiens); E - Seemaus (Aphrodita aculeata); F - Käfer der Art Pachyrhynchus argus; G - ein Schmetterling der Art Parides sesostris.
Die Besonderheit von Viburnum Tinus, die die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich zog, ist, dass es nicht nur einen neuen Mechanismus für die strukturelle Färbung zeigt, sondern auch eine der wenigen Pflanzen ist, die dazu in der Lage sind.
Bild Nr. 1
Früchte von V. tinus ( 1C) reflektieren das Licht in den blauen und ultravioletten Bereichen des Spektrums gerichtet (was ihm ein metallisches Aussehen verleiht). Die Polarisation des reflektierten Lichts bleibt weitgehend erhalten, was darauf hinweist, dass die Färbung strukturell und nicht pigmentiert ist, was auf die Reflexion an der hochstrukturierten Zellwand des äußeren Epikarps * ( 2A ) zurückzuführen ist.
Epikarp * ist die äußere Schicht des Fötus.Wenn dieses Gewebe präpariert wird, wird ein dunkelrotes Anthocyanpigment freigesetzt. Licht, das nicht von der photonischen Struktur reflektiert wird, wird vom darunter liegenden dunkelroten Pigment ( 2A und 3C ) absorbiert .
Bild 2
Diese Absorption verhindert die Rückstreuung von Licht, erhöht die Sichtbarkeit der blauen Reflexion von der Außenwand der Zelle und verbessert so die blaue Färbung visuell.
Aus diesen Beobachtungen kann bereits geschlossen werden, dass die Farbe von V. tinus- Früchten das Ergebnis einer Kombination einer physikalischen Nanostruktur ist, die selektiv blaue Lichtwellen reflektiert, und einer Basisschicht aus blau verstärkenden Pigmenten. Mit anderen Worten, die Schnittstelle zwischen Chemie und Physik.
Charakterisierung der Nanostrukturen, die in Früchten die blaue Farbe erzeugenV. tinus haben Wissenschaftler verschiedene Methoden der Elektronenmikroskopie angewendet.
Die Rasterelektronenmikroskopie von frischem Gewebe ( 2A ) zeigt deutlich das Vorhandensein einer dicken (10-30 um) Mehrschichtstruktur parallel zur fetalen Oberfläche, die in die Zellwand der äußersten Epikarpalzellen eingebettet ist. Die Oberfläche der Frucht ist mit einer wachsartigen Nagelhaut (2–6 µm) über einer Schichtstruktur bedeckt. Die Schichtarchitektur nimmt den größten Teil der äußeren Zellwand im Bereich zwischen der Nagelhaut und der zellulosereichen primären Zellwand ein. Die Schichten sind 30 bis 200 nm dick und bedecken die gesamte Zelle.
Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt, dass diese Architektur aus vielen Schichten kleiner Blasen besteht, die sich von der Matrix in der Fähigkeit zur Elektronenstreuung und im Brechungsindex unterscheiden.
Bild 3
Raster- und Transmissionsmikroskopbilder zeigen, dass die Matrix Schlüsselkomponenten typischer Pflanzenzellwände zu enthalten scheint, nämlich Cellulose, Hemicellulose und Pektin. Die Rutheniumrot ( 3D ) -Färbung zeigt einen signifikanten Pektingehalt und ein Elektronenbeugungsmuster zeigt das Vorhandensein von Cellulose an den charakteristischen Beugungsringen eines natürlichen Cellulosekristalls.
Es sollte beachtet werden, dass die kontrastierenden Schichten diskret sind und sich voneinander unterscheiden, aber eine beträchtliche Störung durch nicht parallele benachbarte Schichten und die Ungleichmäßigkeit ihrer Kugelstruktur eingeführt wird.
Die Abbildung der epidermalen Zellwand ( 2E ) zeigt, dass diese globulären Vesikel in kombinierten Schichten organisiert sind, durch die die Zellwandmatrix der Zellulose durch Brücken und Filamente verbunden bleibt ( 2B und Video unten).
Globulares Multilayer-Strukturmodell (entspricht 2D- Bild ).
Daraus folgt, dass die globuläre Mehrschichtstruktur der Epidermis von V. tinus- Früchten aus Lipiden besteht, die mit verschiedenen Methoden in die Matrix der Zellwand eingebettet sind.
Als nächstes wurden ultradünne Scheiben der Fruchtepidermis Chloroform ausgesetzt. Diese Analyse ist sehr indikativ, da die Löslichkeit in unpolaren organischen Lösungsmitteln ein klarer Hinweis auf das Vorhandensein von Lipiden ist.
TEM-Bilder desselben Probenbereichs vor ( 3A ) und nach ( 3B)a) Einwirkung von Chloroform zeigt an, dass die Kugelstruktur durch Behandlung entfernt wurde. Im letzten Bild wird der Kontrast der mehrschichtigen Kugelphase verringert, während leere Strukturen innerhalb der Matrix sichtbar bleiben. Im Vergleich dazu veränderte die Einwirkung von Wasser weder die Ultrastruktur noch den Bildkontrast des globulären Laminats, was darauf hinweist, dass das Material nur mit unpolaren Lösungsmitteln extrahiert werden kann. Wenn die Wissenschaftler imidazolgepuffertes Osmiumtetroxid (C 3 H 4 N 2 / OsO 4 ), das an Lipide bindet, während der chemischen Fixierung verwendeten , färbten sich die Kugelschichten , was ihre Lipidnatur bestätigt.
Und wenn Rutheniumrot verwendet wurde, das an Pektin bindet, wurde die Zellwandmatrix gefärbt, während die Kugelstruktur aufgrund des Fehlens von Imidazolpuffer entfernt wurde.
Während aller während der Studie angewendeten Färbungsvariationen wurden dunkle Umrisse um die Kügelchen ( 3E ) beobachtet. Laut Wissenschaftlern könnte dies auf das Vorhandensein einer Lipidmembran hinweisen, die theoretisch an der Grenzfläche zwischen hydrophoben Molekülen und hydrophilen Polysacchariden der sekundären Zellwand erforderlich ist.
Wissenschaftler erinnern uns daran, dass Lipide aus einer Vielzahl molekularer Strukturen bestehen, die normalerweise aufgrund ihres Schmelzpunkts als Wachse, Fette und Öle klassifiziert werden.
Auf der Oberfläche der Epidermis von Pflanzen können leicht Wachse gefunden werden, die eine wasserdichte wachsartige Nagelhaut bilden. Wachse enthalten auch viele molekulare Strukturen, aber die vorherrschende Komponente sind Alkane, die praktisch unverdaulich sind, d.h. haben keinen Nährwert für Vögel. Fette und Öle hingegen sind wichtige Nährstoffkomponenten, da sie pro Volumeneinheit viel mehr Energie enthalten als Stärke oder Proteine. Fette können normalerweise in großen Mengen in Samen gefunden werden, d.h. tief im Fötus.
Im Fall von V. tinus FrüchtenDie Nähe der Kugelstruktur zu großen, energiereichen Samen und der wachsartigen äußeren Nagelhaut macht die Unterscheidung zwischen Wachs und Fetten besonders wichtig für das Verständnis der funktionellen Bedeutung und des Ursprungs der Struktur. Daher muss festgestellt werden, ob es sich bei den Lipidkügelchen um unverdauliches Wachs oder um nahrhafte Fette und Öle handelt. Hierzu wurde Lichtmikroskopie eingesetzt.
Gewebeschnitte von V. tinus fetus wurden mit Nilblau A (Pigment) inkubiert, das die globulatreiche Region der V. tinus- Zellwand blau oder blauviolett ( 3C ) färbt). Dies legt nahe, dass die Kügelchen freie Fettsäuren sind und nicht das Cutin-Polymer (ein Bestandteil der Kutikularmembran), das rosa oder rot werden würde.
Zusätzlich zeigt das Elektronenbeugungsmuster der mehrschichtigen Kugelstruktur ein klares Ringmuster, das sich vom Diagramm der Cellulosezellwand mit den charakteristischen zwei Ringen aus Cellulosekristallen unterscheidet. Dieses Muster zeigt an, dass die Lipidkörper wahrscheinlich kristallin sind und daher eher homogene monomere Lipide als polymerisierte Moleküle wie Cutin sind.
Um zu bestätigen, dass die beobachtete Mischstruktur aus Cellulosematrix und geschichteten Lipidkügelchen für das blaue Reflexionsvermögen von V. tinus- Früchten verantwortlich istWissenschaftler haben seine optische Reaktion modelliert. Zu diesem Zweck untersuchten die Wissenschaftler zwei mathematische Modelle: eine zweidimensionale Anordnung von Kugeln und eine Mittelung über einen Satz eindimensionaler zweiphasiger Mehrfachschichten.
Bild 4
Ein Reverse Engineering-Algorithmus wurde verwendet, um die Struktur im zweidimensionalen Raum als eine Reihe von Kugelsternhaufen zu modellieren. Die Schemata 4A - 4C entsprechen dem benachbarten modellierten Reflexionsspektrum. Dieser Algorithmus ermöglicht es, verschiedene Arten von Störungen unabhängig voneinander in die globuläre Mehrfachschicht einzuführen, indem die Größe und Struktur angepasst werden, d.h. Fourier-Transformation der Position von Partikeln.
Während des Modellierungsprozesses wurde Folgendes untersucht: die optische Reaktion von geschichteten Lipidkügelchen mit unterschiedlichem Variationsgrad des Kügelchendurchmessers ( 4A)); Störung in den Winkeln zwischen benachbarten Kügelchen (Parameter Sp, 4B ) und Störung im durchschnittlichen Abstand zwischen benachbarten Kügelchen (Parameter Sk, 4C ).
Die Einführung verschiedener Arten von Störungen ( 4A - 4C ) hatte immer den gleichen Effekt auf die optische Reaktion der globulären Mehrfachschicht, nämlich eine Abnahme der Peakintensität.
Anstatt jedes Störungselement separat zu betrachten, wurden die Struktur und die Materialzusammensetzung der V. tinus- Zellwand durch ungeordnete eindimensionale Mehrfachschichten mit Brechungsindizes entsprechend Cellulose (n = 1,55) und typischem Pflanzenlipid (n = 1,47) angenähert. Die Dickenverteilung beider Materialien ist in dargestellt4D . Das Reflexionsvermögen, das unter Verwendung von Durchschnittswerten über 1D-Schichten modelliert wurde, ist in 4E gezeigt .
Die Einführung der bei den Querschnittsmessungen beobachteten Störung in das kohärent geordnete Reflektormodell erweitert sein Reflexionsspektrum.
Wenn das Modell es Wissenschaftlern ermöglichte, genau zu verstehen, wie V. tinus- Beeren ihre Farbe erhalten, deckt die Modellierung nicht die Notwendigkeit eines solchen Mechanismus ab.
Die größte interspezifische Wechselwirkung bei V. tinus ist mit Vögeln verbunden, die sich von den Beeren dieser erstaunlichen Pflanze ernähren. Vergleich mit der spektralen Empfindlichkeit der Meise ( 1D) zeigt, dass die Farbe der Beeren innerhalb des für Vögel dieser Art visuell signifikanten Bereichs liegt.
Die Beeren schweben natürlich nicht in der Luft, sondern sind an den Zweigen befestigt, auf denen die Blätter wachsen - ein visueller Hintergrund. Der Hintergrund ist aufgrund des dominanten Chlorophyllpigments in den Blättern weitgehend grün. Chlorophyll hat eine breite spektrale Charakteristik mit einem Peak bei 550 nm und einem geringen Reflexionsvermögen unter 500 nm, was der Farbe von V. tinus- Früchten einen chromatischen Kontrast zum Laub verleiht . Mit anderen Worten, die Beeren sehen vor dem Hintergrund solcher Blätter noch deutlicher aus.
In Anbetracht der Tatsache, dass visuelle Signale für Vögel häufig Vorrang haben, kann die Lipidstrukturfärbung von V. tinus- Beeren als starkes visuelles Signal für hungrige Vögel dienen.
In Anbetracht der Tatsache, dass die Farbe des Vogelfutters der Hauptparameter der Essbarkeit sein kann, signalisiert die Farbe der Beeren von V. tinus , dass sie essbar und nahrhaft sind.
Die Beziehung zwischen der Farbe der Frucht und ihrem Nährwert wurde früher untersucht. Berichten zufolge sind die dunklen Früchte von Pflanzen aus der brasilianischen Region reich an Kohlenhydraten, während die dunklen Früchte von Pflanzen aus dem Mittelmeerraum reich an Lipiden sind.
Wissenschaftler glauben, dass im Fall von V. tinus die blaue Farbe ein Signal dafür ist, dass die Beeren reich an Nährlipiden sind, die übrigens diese Farbe erzeugen.
Wissenschaftler nennen diese Signalmethode "ehrlich" oder "direkt", wenn der Kontext des Signals mit seiner Quelle übereinstimmt (blaue Farbe aufgrund von Lipiden - hoher Lipidgehalt). Diese Signalmethode ist ziemlich teuer, da die Verwendung der klassischen Pigmentierung für die Pflanze einfacher wäre. Dennoch überwindet die Rückkehr, die V. tinus in Form der Aufmerksamkeit von Vögeln verschiedener Arten erhält , offenbar diesen Mangel.
Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern zu lesen .
Epilog
Farbe ist ein wichtiger Bestandteil visueller Informationen, die lebende Organismen über die Welt um sie herum erhalten. Viele Tiere verwenden ihre Farbe, um sich zu tarnen, Partner anzuziehen oder Feinde abzuschrecken. Einige dieser Taktiken sind auch in Pflanzen vorhanden, aber die wichtigste ist die Aufrechterhaltung der interspezifischen Kommunikation. Im Fall von V. tinus sind Vögel die Hauptpartner dieser Pflanze, die für die Verbreitung von Samen über große Entfernungen erforderlich sind, was den Lebensraum von V. tinus und damit die Überlebenschancen der Art erheblich erhöht .
Der Geschmack der Früchte vieler Pflanzen hängt davon ab, wie sehr sie die Aufmerksamkeit von Tieren verschiedener Arten auf sich ziehen möchten. Einige Früchte schmecken zum Beispiel für bestimmte Vogelarten, während sie für alle anderen praktisch ungenießbar sind. In einem so komplexen System wie der interspezifischen Kommunikation spielt der Grad der Koevolution der Pflanzen- und Tierarten, aus denen es besteht, eine wichtige Rolle.
Die blaue Farbe von Lorbeerviburnum liegt in seinem nicht standardmäßigen Ursprung - Lipidnanostrukturen, die in den Wänden der Epidermiszellen von V. tinus- Beeren enthalten sind . Diese Methode der Färbung (strukturell), insbesondere aufgrund von Lipiden, wurde bisher nur bei Pflanzen in V. tinus gefunden... Darüber hinaus kann die Lipidfärbung den Vögeln einen hohen Lipidgehalt in Beeren anzeigen, egal wie seltsam es klingen mag.
Ehrliche Signale, deren Ursprung ihrem Kontext entspricht, sind in der Natur ziemlich selten. Die Erklärung für diese Seltenheit ist recht einfach. Stellen Sie sich vor, Sie besitzen eine Bäckerei. Sie möchten mehr Kunden gewinnen und verteilen Flyer. Daher hat das Signal einen Kontext (wir haben köstliche Brötchen), aber sein Ursprung ist unterschiedlich (ich habe kein Brötchen, aber etwas Besseres ist eine Zeichnung eines Brötchens, d. H. Der Flyer ist nur ein Stück Papier). Wenn Sie Brötchen verteilen, ist dies ein ehrliches Signal, aber viel teurer.
Zuvor mehrschichtige Lipidarchitekturen wie V. tinus- Beerenwurden nicht in Biomaterial gesehen. In der Vergangenheit gab es keine so fortschrittlichen Werkzeuge und Techniken wie heute, daher wurden viele Details falsch aufgezeichnet oder wurden völlig übersehen.
In Zukunft wollen Wissenschaftler andere Pflanzen analysieren, die theoretisch auch ähnliche Lipidnanostrukturen aufweisen und daher eine unkonventionelle Methode zur Fruchtfärbung darstellen. Darüber hinaus glauben die Wissenschaftler, dass ihre Forschung dazu beitragen könnte, sicherere Lebensmittelfarben zu schaffen.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie ein schönes Wochenende, Jungs! :) :)
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