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用于在花粉中形成图案的物理模型

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2020-04-12浏览次数:1027

该建筑的建筑计划规划了防止其坍塌所需的内容。但设计不仅仅是功能性的:通常,它的美观,线条和形状都可以令人惊叹和鼓舞人心。

美丽的建筑不仅限于人造建筑。自然界充满了华丽的结构,从大脑的螺旋分形图案到复杂的编织神经元阵列。

微观世界包含其复杂图案和设计的公平份额,例如单个花粉粒子上的几何图案。科学家着迷于这些错综复杂的结构,这些结构小于人类头发的宽度,但尚未确定这些图案是如何形成的以及它们的外观。

宾夕法尼亚大学物理和天文学系的研究人员开发了一个模型,描述了这些模式是如何形成的以及花粉如何演变成各种结构。研究生Asja Radja是该研究的第一作者,并与研究生Eric M. Horsley和前博士后Maxim O. Lavrentovich合作,后者现在在田纳西大学工作。该研究由Alison Sweeney副教授领导。

Radja在显微镜数据库中分析了数百种开花植物的花粉,包括虹膜,蝎子,韭葱和九重葛。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”的外层,并使用高分辨率显微图像显示微米级花粉形成的华丽细节。

Sweeney和Radja的最初假设是花粉球由屈曲机制形成。当材料在外侧较强但在内侧具有柔性时发生弯曲,导致结构向内收缩并在表面上形成凹陷或“环”。但他们收集的数据与他们最初的想法不符。

“艾莉森告诉我,对于任何生物系统,你必须真正盯着它来弄清楚发生了什么,”拉迪亚说她花时间研究花粉图像。研究花粉的关键挑战之一是从新的角度来看问题,以便思考为什么基础物理可以解释结构。

发表在Cell上的解决方案代表了基于理论物理学的花粉模式形成的第一个理论框架。该模型表明花粉模式通过称为相分离的过程发生,物理学家发现该过程也可以在其他系统中生成几何模式。相分离的每日例子是奶油和牛奶的分离;当牛奶置于室温下时,奶油自然地上升到顶部而没有任何额外的能量,例如混合或摇动。

Radja可以证明发育花粉孢子的“默认”趋势是进行相分离,然后产生精细和凹陷的图案。 “这些错综复杂的模式实际上可能只是一个幸福的结果,而不会向系统注入任何能量,”Radja说。

然而,例如,如果植物通过分泌防止相分离的刚性聚合物来暂停该自然图案化过程,则它们可以控制所形成的形状。这些植物往往具有更光滑和更球形的花粉孢子。令人惊讶的是,需要额外能量的光滑花粉颗粒比华丽颗粒更频繁地出现,这表明光滑的颗粒可以提供进化优势。

这个生物物理框架现在将使研究人员能够研究更大类的生物材料。斯威尼和她的团队将研究相同的规则是否可以解释生物学中更复杂的结构,例如昆虫鬃毛或植物的细胞壁。

Sweeney的团队还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合作开发花粉材料。 “粉末状材料通常是超疏水的,所以你可以非常复杂地控制水和表面的相互作用,”斯威尼说。 “这种机制的优势在于它是被动的;如果你可以模仿花粉形成的方式,你可以将聚合物放在你想要的地方,而不必进行昂贵且难以复制的复杂工程。”/P>

该研究得到了考夫曼基金会新倡议,帕卡德基金会奖学金,国家科学基金会职业奖和西蒙斯调查员补助金的支持