Новые данные о движении чешуек сосновых шишек

Сосновые шишки раскрываются в сухую погоду и закрываются во влажную. Таким образом, семена сосны высвобождаются только в благоприятных условиях — когда сухо и семена могут быть унесены ветром далеко. Механизм открывания и закрывания представляет особый интерес для исследователей, поскольку он пассивен, то есть не потребляет метаболическую энергию. Поэтому сосновая шишка уже служила моделью для биомиметических клапанных систем, реагирующих на влагу и используемых, например, в оболочках зданий для регулирования климата.

Команда под руководством профессора Юргена Рюэ, Кармен Эгер и профессора Томаса Шпека из кластера передового опыта «Живые, адаптивные и энергетически автономные материальные системы» (livMatS) Фрайбургского университета, доктора Симона Поппинги из Дармштадтского технического университета и профессора Манфреда Бишоффа из Штутгартского университета в сотрудничестве с исследователями из Мюнхенского технического университета и партнерами по проекту из BASF детально проанализировала, какие тканевые структуры участвуют в этом движении. Исследователи показывают, что чешуйки закрываются благодаря нескольким слоям ткани, все из которых поглощают влагу. С помощью своих выводов можно создать биомиметические клапанные системы с улучшенной функцией. Команда опубликовала результаты в журнале Advanced Science.

Предыдущая модель предполагала два функционально значимых типа ткани

До сих пор в исследованиях предполагалось, что движения сосновой шишки в основном обусловлены взаимодействием двух слоев ткани в чешуйке: верхнего, жесткого слоя, который не поглощает воду или поглощает её очень мало, и нижнего слоя, который набухает и удлиняется под действием влаги. В этом процессе он толкает чешуйку вверх, и шишка закрывается. Если нижний слой высыхает и сжимается, он снова тянет чешуйку вниз, и шишка открывается.

Волокнистые тяжи запускают процесс изгиба

Ученые опровергают эту упрощенную модель в своем анализе. Они показывают, что несколько слоев ткани в чешуйке поглощают воду. Особое значение имеют так называемые склеренхимные волокна. В двухслойной модели они считаются основным компонентом жесткого верхнего тканевого слоя. Однако в своем анализе исследователи приходят к выводу, что, хотя волокнистые тяжи жесткие в сухом состоянии, они размягчаются под воздействием влаги и таким образом запускают процесс изгиба.

Кроме того, хотя разные ткани состоят из химически идентичных материалов, их расположение вдоль чешуйки различается. Например, чешуйка состоит из зоны изгиба и более длинной периферийной части, похожей на клапан, которая не вносит значительного вклада в процесс изгиба, а пассивно перемещается вместе с ним. В своем анализе исследователи провели, например, высокоразрешающий 3D-структурный анализ, 3D-измерения деформации, измерения поглощения воды разными тканями и биомеханические эксперименты.