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用于在花粉中形成图案的物理模型

建筑物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,它也很漂亮,线条和形状可以令人惊叹和鼓舞。

精美的建筑不仅限于人造建筑。大自然充满了华丽的结构,从贝壳的螺旋形分形图案到大脑中复杂编织的神经元阵列。

微观世界包含其错综复杂的图案和设计的公平份额,例如花粉单个颗粒上的几何图案。科学家们对这些错综复杂的结构着迷,这些结构小于人类头发的宽度,但尚未确定这些图案的形成方式以及它们看起来如何。

宾夕法尼亚大学物理与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各样的结构。研究生Asja Radja是该研究的第一作者,并与研究生Eric M. Horsley和前博士后的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,藜,苋菜和九重葛。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,并采用高分辨率显微图像,显示花粉在微米级形成时的华丽细节。

Sweeney和Radja最初的假设是花粉球是由屈曲机制形成的。当材料在外侧较强但在内侧柔韧时会发生屈曲,导致结构向内收缩并在表面形成凹陷或“扣环”。但他们收集的数据并不符合他们最初的想法。

“艾莉森告诉我,对于任何生物系统,你必须真正盯着它才能弄清楚到底发生了什么,”拉德亚谈到她花在研究花粉图像上的时间。研究花粉的关键挑战之一是以全新的视角审视问题,以便思考基础物理学可以解释结构的原因。

该解决方案发表在Cell上,代表了第一个基于理论物理学的花粉模式形成框架。该模型指出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。相分离的日常例子是奶油与牛奶的分离;当牛奶在室温下放置时,奶油自然地上升到顶部,没有任何额外的能量,如混合或摇动。

Radja能够证明,开发花粉孢子的“默认”趋势是经历相分离,然后产生细致和凹陷的模式。“这些错综复杂的模式实际上可能只是没有给系统注入任何能量的幸福结果,”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这种天然的图案形成过程,则它们可以控制形成的形状。这些植物倾向于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粒比华丽晶粒更频繁地出现,这表明光滑的晶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。Sweeney和她的小组将看看相同的规则是否可以解释生物学中更复杂的建筑,如昆虫的刷毛或植物的细胞壁。

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。“像花粉一样的材料通常具有超疏水性,因此你可以非常复杂地控制水与表面的相互作用,”斯威尼说。“这种机制的好处在于它是被动的;如果你能模仿花粉形成的方式,你可以将聚合物放在你想让它们自己去的地方,而不必进行昂贵且难以复制的复杂工程。”

该研究得到了考夫曼基金会新倡议奖,帕卡德基金会奖学金,国家科学基金会职业奖1351935和西蒙斯调查员补助金的支持

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