Drėgmės pokyčiai negyvuose paparčio lapuose varo u

Drėgmės pokyčiai negyvuose paparčio lapuose varo u

vaizdas: Senesced derlingas lapas iš praėjusių metų, kartu su nauju besivystančiu derlingu einamųjų metų lapeliu. Šiais metais besivystantis derlingas lapas ilgainiui sensta ir atrodys kaip gretimas praėjusių metų lapas.
peržiūrėti daugiau

Kreditas: Jacob Suissa vaizdas

Jautrusis papartis, pavadintas dėl savo jautrumo sausrai ir šalčiui, yra plačiai paplitusi rūšis Šiaurės Amerikos rytuose ir Rytų Azijoje. Tai dimorfinis augalas, nes turi du skirtingus lapų tipus – vieną, skirtą fotosintezei, kitą – reprodukcijai. Nors dauguma paparčių rūšių vidutinio klimato regionuose savo sporas gamina ir išsklaido vasarą, jautrių paparčių sporų išplitimo laikas yra netipiškas. Vasaros pradžioje jie išaugina labai modifikuotus sporinius gniužulelius (arba lapus) su lapeliais, sandariai apgaubiančiais jų sporangijas ir sporas. Su amžiumi šie lapeliai genda, tačiau žiemą išlieka virš žemės kaip negyvos subrendusios struktūros. Ankstyvą pavasarį jų lapeliai atsiveria, kad išsklaidytų sporas. Nors sporų išplitimo laikas buvo stebimas daugiau nei 120 metų, struktūriniai mechanizmai, skatinantys šią fenologiją, liko sunkiai suprantami.

Naujame tyrime, paskelbtame Botanikos metraščiai Jacobas Suissa, Organizmo ir evoliucinės biologijos katedros doktorantas ir Harvardo universiteto Arnoldo medelyno bendradarbis, atskleidžia, kad unikalus sporų išplitimo jautriame papartyje laikas, žinomas. kaip Onoclea sensibilis, yra nulemtas struktūrinio drėgmės varomo judėjimo sporuojančiuose lapuose mechanizmo.

Kai prasidėjo COVID-19, Suissa negalėjo patekti į laboratorijas ir atlikti savo darbo, todėl kasdien vaikščiojo po Harvardo Arnoldo medelyną. Vieno iš savo pasivaikščiojimų, žiemos pabaigoje, kai žemė buvo įšalusi, jis pastebėjo, kad praėjusios vasaros žalias augalas dabar buvo negyvas lapas, kyšantis iš sniego. Norėdama sužinoti daugiau, Suissa paėmė saują lapelių nuo augalo ir grįžo namo.

„Pradėjau skaityti viską, – sakė Suissa, – skaičiau straipsniais ir knygas nuo 1960 m., tada 1950 m. ir visą kelią iki 1907 ir 1890 m. Jis suprato, kad mokslininkai jau seniai žinojo apie sporų išplitimo jautriame papartyje laiką, bet jis nieko negalėjo rasti, koks mechanizmas paskatino šią fenologiją. Sulaikęs doktorantūros darbą, Suissa pasiryžo išsiaiškinti, kaip šis keistas papartis pasiekia šią unikalią fenologiją.

„Savo namuose pradėjau atlikti paprastus eksperimentus su surinktais negyvais lapais“, – sakė Suissa. Kai kuriuos lapus jis įdėjo į orkaitę žemiausioje temperatūroje. Kai kuriuos įdėjo į šaldiklį, o kai kuriuos – į plastikinius maišelius su drėgnu popieriniu rankšluosčiu.

Suissa išsiaiškino, kad šie negyvi subrendę lapeliai atsidaro, kai buvo išdžiūvę, ir vėl užsidaro, kai patenka į vandenį. Jis sužinojo, kad iš esmės negyvi lapai juda tiesiogiai reaguodami į drėgmės pokyčius ir kad tai yra grįžtamas procesas, kuris gali būti kartojamas šimtus kartų. „Tai yra negyvos struktūros, – sakė Suissa, – tai nėra kaip Veneros musių gaudyklė ar jautrus augalas, kur vyksta gyvų augalų audinių judėjimas. Žinojau, kad turi būti kažkas struktūrinio, leidžiančio šiai negyvajai medžiagai judėti reaguojant į vandens būklės pokyčius.

Tačiau tai buvo tiek, kiek galėjo vykti tyrimas be galimybės naudotis laboratorine įranga. Taigi Suissa atliko daugiau eksperimentų savo namuose, kol vėliau vasarą galėjo pasiekti aukštųjų technologijų įrangą. Kai laboratorijos vėl atsidarė, jis įdėjo sporinius lapus į augimo kameras, reguliuodamas drėgmę dešimties procentų žingsniais, pradedant nuo nulio procentų. Kaip jis pastebėjo atlikdamas eksperimentus namuose, išdžiūvę lapeliai atsidarė, o sušlapę – uždaromi. Suissa pakartojo šį eksperimentą daug kartų su tais pačiais rezultatais. Tai sukūrė puikią skalę, kuri parodė, kaip nedideli laipsniški drėgmės pokyčiai lėmė nedidelius laipsniškus lapų atidarymo pokyčius. Su šiuo patvirtinimu jis atkreipė dėmesį į pagrindinį struktūrinį mechanizmą, skatinantį judėjimą.

Suissa perpjovė lapą per pusę ir ištyrė jį didelio galingumo elektroniniu mikroskopu. Jis pamatė, kad viršutinėje ir apatinėje lapelio pusėse ląstelės buvo sukonstruotos skirtingai. Augalai naudoja celiuliozę savo ląstelėms kurti, o celiuliozė paprastai yra suskirstyta į ryšulius arba pluoštus. Suissa nustatė, kad viršutinės lapelio pusės ląstelėse šios skaidulos buvo orientuotos statmenai ląstelės ilgiui, o apatinės lapo pusės ląstelėse skaidulos buvo orientuotos lygiagrečiai ląstelės ilgiui. Šių pluoštų orientacija yra labai svarbi nurodant, kaip ir ar struktūra judės, nes šie pluoštai gali išsiplėsti, kai sugeria vandenį.

„Iš esmės, kadangi ryšuliai yra nukreipti statmenai ląstelės ilgiui viršutinėje lapelio dalyje, kai jis yra hidratuotas, tos ląstelės gali išsiplėsti kaip akordeonas“, – sakė Suissa, „viršutinis ląstelių sluoksnis plečiasi, bet apatinis. sluoksnio nedaro, o šis diferencinis išsiplėtimas veda prie to, kad lapelis užsidaro, kai jis šlapias, ir atsidaro, kai jis yra sausas. Įdomu tai, kad tai pirmas kartas, kai šis mechanizmas buvo užfiksuotas visame paparčio lape.

Šis atradimas taip pat rodo konvergentišką evoliuciją, nes tai yra tikslus mechanizmas, randamas kankorėžiuose, kurie taip pat yra negyvos struktūros, kai jie yra visiškai subrendę. Jei į orkaitę įdėsite visiškai subrendusią kankorėžį, jis atsivers. Įdėkite jį į plastikinį maišelį su drėgnu popieriniu rankšluosčiu ir jis užsidarys. „Tikrai įdomu tai, kad jūs turite dvi identiškas struktūras – pušies kankorėžį ir paparčio lapą, bet stebėtinai evoliucinis laikas, skiriantis šias dvi gimines, yra didžiulis. Jie savarankiškai vystėsi daugiau nei 300 milijonų metų “, – sakė Suissa.

Šios į drėgmę reaguojančios struktūros būdingos ne tik paparčiams ir kankorėžiams. Jis atsiranda įvairiuose žydinčių augalų, tokių kaip pelargonijų vaisiai ir kviečių awns. Nors procesas nėra unikalus, jis greičiausiai išsivystė taip, kad reguliuotų sėklų, sporų ar vaisių pasklidimo laiką.

Į drėgmę reaguojančios biologinės struktūros taip pat įkvėpė inžinierius kurti medžiagas, imituojančias šiuos žaliosios inžinerijos stebuklus. Pagrindinis judėjimo šiose struktūrose aspektas yra tas, kad joms judėti nereikia didelių energijos sąnaudų. Dėl to buvo sukurti aplinkai nekenksmingi kiemo stogai ir meninės instaliacijos, kurios atsidaro ir užsidaro priklausomai nuo oro – atidaromos, kai sausas, ir uždaromos lyjant. Jie juda reaguodami į drėgmės pokyčius ir nereikalauja energijos. Tikimės, kad toks darbas kaip „Suissa“, atskleidžiantis šių struktūrų biologiją, gali padėti įkvėpti būsimus architektus ir inžinierius kurti klimatą tausojančias struktūras, kurioms reikia mažai energijos.

Suissa yra botanikė, kurios specializacija yra augalų kūrimo, veikimo ir raidos per gilų laiką supratimas. Visų pirma jis daugiausia dėmesio skiria paparčiams, įvairiai sausumos augalų grupei, turinčiai daugiau nei 11 000 rūšių ir ilgą evoliucijos istoriją. Dirbdamas doktorantūroje jis daugiausia dėmesio skyrė paparčių judėjimui per savo kraujagyslių sistemą. Kartu su savo patarėju profesoriumi Nedu Friedmanu Organizmo ir evoliucinės biologijos katedroje ir Arnoldo medelyno direktoriumi jis stengiasi išsiaiškinti, kaip per 400 milijonų metų paparčių evoliucijos istoriją išsivystė kraujagyslių sistema.


Atsisakymas: AAAS ir EurekAlert! nėra atsakingi už naujienų pranešimų, paskelbtų EurekAlert, tikslumą! prisidedančios institucijos arba už bet kokios informacijos naudojimą per EurekAlert sistemą.

Parašykite komentarą

El. pašto adresas nebus skelbiamas.