Физика сложных биологических архитектур

Природа создаёт сложные архитектурные структуры, такие как замысловатые геометрические узоры на микроскопических зёрнах пыльцы. Учёные из Университета Пенсильвании разработали модель, объясняющую формирование этих узоров.

Исследователи проанализировали пыльцу сотен видов цветковых растений (ирис, амарант, бугенвиллия и др.) в микроскопической базе данных. Экспериментальный метод включал удаление внешнего полисахаридного слоя и получение высокодетализированных изображений формирующихся узоров в микрометровом масштабе.

Первоначальная гипотеза о формировании сфер пыльцы путём механизма изгиба (buckling) не подтвердилась данными.

Решение, опубликованное в журнале Cell, представляет первую теоретическую физическую модель формирования узоров пыльцы. Модель утверждает, что узоры возникают в результате процесса, известного как фазовое разделение (phase separation). Этот процесс может генерировать геометрические паттерны и в других системах (пример — естественное отделение сливок от молока при комнатной температуре).

Исследование показало, что «стандартной» тенденцией развивающихся спор пыльцы является фазовое разделение, ведущее к образованию детализированных вогнутых узоров. «Эти сложные узоры могут быть просто счастливым следствием отсутствия вложений энергии в систему», — отмечает ведущий автор Ася Раджа.

Однако растения могут контролировать формирующиеся формы, приостанавливая этот естественный процесс. Например, выделяя жёсткий полимер, предотвращающий фазовое разделение. Такие растения, как правило, имеют более гладкую и сферическую пыльцу. Гладкие зёрна требуют дополнительной энергии, но встречаются чаще, чем орнаментированные, что может указывать на их эволюционное преимущество.

Эта биофизическая модель позволит изучать более широкий класс биологических материалов, включая щетинки насекомых или клеточные стенки растений. Группа также сотрудничает с инженерами-материаловедами для создания материалов, вдохновлённых пыльцой. Такие материалы могут обладать супергидрофобностью, а их пассивный механизм формирования открывает путь к простому и воспроизводимому контролю над расположением полимеров.