Специальный микроскоп показывает разные стратегии защиты листьев растений от обледенения
При температуре ниже нуля на листьях многих вечнозелёных растений образуются кристаллы льда. Тем не менее, растения обычно переживают морозы невредимыми. Используя специальный крио-сканирующий электронный микроскоп, исследователи из Зоологического института Кильского университета имени Христиана Альбрехта (CAU) впервые получили высокодетальные изображения процессов обледенения на поверхностях растений из Германии и Антарктики в микро- и наномасштабе. При этом они обнаружили различные микроскопические структуры на поверхности листьев, с помощью которых растения защищаются от низких температур.
Лучшее понимание этих защитных стратегий может быть интересно для защиты сельскохозяйственных культур или искусственных поверхностей, например, самолётов. Результаты опубликованы в журнале The Science of Nature.
Вдохновение для искусственных поверхностей, защищающих от обледенения
Самолёты обрабатывают специальными жидкостями или оснащают обогреваемыми поверхностями для защиты от обледенения. Наука и промышленность во всём мире исследуют подходящие покрытия для авиации. «Однако многие дикорастущие растения в ходе эволюции развили собственную естественную защиту от обледенения», — объясняет профессор Станислав Горб, руководитель исследовательской группы «Функциональная морфология и биомеханика».
Чтобы выяснить, как растения защищаются от обледенения, исследования до сих пор в основном фокусировались на химических процессах в клетках растений, таких как содержание сахара или других антифризов. Исследовательская группа из Киля теперь смогла показать, что структура поверхности листьев также имеет важную защитную функцию при низких температурах. Для этого исследователи изучили образование кристаллов льда на разных типах листьев местных дикорастущих растений.
«Мы смогли показать, что тонкие волоски, так называемые трихомы, или восковой слой на листьях являются эффективными адаптациями растений для предотвращения или контроля обледенения непосредственно на поверхности листа. Если слой льда образуется прямо на кутикуле, клетки растения вскоре также замерзнут», — говорит Елена Горб.
Поверхности листьев развили разные адаптации
В ходе исследований в природе и в лаборатории исследователи смогли идентифицировать различные защитные механизмы на листьях.
- Листья с трихомами, например, у маргаритки (Bellis perennis), обычно гидрофильны. Поэтому кристаллы льда сначала образуются на их кончиках, и как только температура снова повышается, они там же быстро тают. Чувствительная поверхность листа под ними остаётся свободной ото льда и неповреждённой.
- Листовые поверхности, покрытые 3D-нанопроекциями воска, например, у некоторых видов тюльпанов (Tulipa gesneriana), напротив, супергидрофобны: капли воды сразу скатываются, что также известно как «эффект лотоса». Кристаллы льда могут образоваться здесь только в том случае, если молекулы воды задерживаются дефектами в восковом слое. Но даже тогда они не повреждают восковой слой, и лист под ним остаётся целым.
- Растения с относительно гладкими листьями, такие как лавровишня (Prunus laurocerasus), на первый взгляд защищены меньше всего: кристаллы льда могут образовываться по всей поверхности. При воздействии солнечного света талая вода скапливается в более низких участках листа. Когда температура снова падает, эти «лужицы» замерзают и могут нанести долговременный ущерб клеткам растения. «Но поскольку такие растения переживают зиму, мы считаем, что у них достаточно химической антифризной защиты», — говорит Станислав Горб.
Учёные обнаружили восковую стратегию защиты от обледенения не только в Германии, но и в Антарктике: Deschampsia antarctica, одно из всего двух цветковых растений, произрастающих в Антарктиде, имеет даже двойную защиту с выраженным эпикутикулярным восковым покрытием, состоящим из двух наложенных друг на друга слоёв с обеих сторон листа. Исследователи предполагают, что двухслойный воск может способствовать лучшей адаптации растения к суровым условиям Антарктики, повышая устойчивость к низким температурам, обледенению, вредному УФ-излучению и обезвоживанию.
Криомикроскоп позволяет получать изображения при минус 140 градусах
Команда смогла изучить наномасштабные кристаллы льда только с помощью крио-сканирующего электронного микроскопа. В отличие от других методов, биологические образцы здесь не высушивают, а очень быстро замораживают. Это позволяет хорошо сохранить их структуры и изучить их в почти исходном состоянии.
Для этого учёные замораживали листья, кратковременно погружая их в жидкий азот при температуре минус 196 градусов. В микроскопе, охлаждённом до минус 140 градусов, можно было делать высокодетальные снимки образующихся кристаллов льда. При комнатной температуре кристаллы льда снова тают, и процесс можно повторить. Таким образом можно имитировать промежуточное таяние в природе, например, днём под солнечным светом.
«В конечном счёте, в ходе эволюции растения развили множество способов защиты от холода», — говорит Станислав Горб. Взаимодействия с водой на поверхности листа обещают захватывающие открытия, особенно для разработки технических поверхностей, защищающих от обледенения. «Но мы всё ещё очень мало знаем об этих процессах».