Интеллектуальные беседы на тему биологии, нейробиологии, генетики
Ответить
Сухарев
Участник
Баланс:2360
 
Сообщения: 174
Регистрация: 11.11.2019

Чудеса механики листьев кувшинки Виктории амазонской

Сухарев » 02.03.2022 11:54

+
0
-
В мире дикой природы эволюция чаще всего склоняется к варианту развития, основанному на многочисленности, а не на индивидуальных габаритах отдельной особи.

Правда, бывают и исключения.

Изображение

Виктория амазонская (Victoria amazonica) считается крупнейшим водным растением в мире, огромные листья которой (до 3 м в диаметре) могут выдержать вес в 30 кг. С точки зрения инженерии такая биологическая система крайне любопытна, а потому ученые из Оксфордского университета (Великобритания) решили изучить структуру листа V. amazonica.

Корневая система растения достаточно крупная с множеством придаточных корней. Цветы V. amazonica, вырастающие до 40 см в диаметре, в естественной среде обитания начинают раскрываться с заходом солнца. Для полного же раскрытия может понадобиться порядка 48 часов.

Любопытно то, что V. amazonica состоит в симбиотических отношениях с жуками Cyclocephala castanea. Все бутоны на одном участке начинают раскрываться одновременно, выделяя фруктовый запах. В этот момент лепестки цветков имеют беловатый окрас, что привлекает внимание жуков, как и сам запах цветка. С наступлением ночи цветок закрывается, а жук оказывается в ловушке внутри придатков плодолистика внутри цветка. В течение следующего дня цветок остается закрытым. Полость, где жук находится в непредвиденном для него заточении, состоит из губчатой ​​крахмалистой ткани, обеспечивающей его провиантом.

Пока жук находится внутри цветка, растение начинает выделять антоцианы, что, в свою очередь, меняет цвет лепестков с белого на красновато-розовый. Это является признаком того, что цветок опыляется. По мере того как жук поедает губчатую ткань, тычинки падают внутрь, а уже опустившиеся пыльники осыпают тычинки пыльцой.

К вечеру второго дня цветок раскрывается, давая жуку возможность выбраться наружу. Когда жук проползает к образовавшемуся просвету, пыльца прилипает к его панцирю. Затем этот же жук отправляется на поиски другого раскрытого цветка (белого, конечно) и опыляет его пыльцой из предыдущего цветка.

Самая выдающаяся часть V. amazonica это ее листья, которые располагаются на поверхности воды, имеют дискообразную форму и достигают в диаметре до 3 метров.
Структура листа состоит из множества перепонок, утолщающихся к его центру. Кроме того на краях листа имеются небольшие зазоры, через которые с его поверхности может уходить лишняя вода.

Также на нижней стороне листа, скрытой под водой, имеется множество шипов, которые играют как оборонительную, так и атакующую роль. В первом случае растение защищает себя от различных травоядных водных существ. А во втором шипы помогают повреждать соседствующие растения в борьбе за место под солнцем (буквально). Любопытно и то, что молодые V. amazonica, пока не имеющие своего гигантского листа, размахивают своими колючими стеблями и бутонами, когда растут, чтобы освободить место для его роста.

Ученые заявляют, что листья Виктории амазонской - настоящее чудо естественной инженерии. Неудивительно, что васкулярная система листа (которую видно на его нижней стороне) стала вдохновением для Джозефа Пакстона, создавшего в последствии Хрустальный дворец в Лондоне.

Изображение
Хрустальный дворец, построенный в лондонском Гайд-парке в 1851 году

Однако, несмотря на свою популярность среди ботаников всего мира, спустя 200 лет с момента открытия V. amazonica мало что известно о структурных свойствах гигантских плавающих листьев.

Гигантские амазонские кувшинки производят круглые щитковидные листья, как и большинство кувшинок, но адаптивное значение их чрезвычайного размера), уникального для рода Victoria и, в меньшей степени, родственного им рода Euryale, неясно. Естественный отбор обычно отдает предпочтение формам листьев, которые максимизируют отношение чистого фотосинтеза к потере воды за счет транспирации*, а размер ограничивается прочностью. Хотя наводная жизнь сводит на нет риск потери воды и физически поддерживает большие листовые пластинки (за счет плавучести), гигантские круглые листья не встречаются у других кувшинок или других водных организмов в царстве растений.

Прочность — не единственное ограничение размера листа. Польза от световой энергии, поглощаемой листом, уравновешивается затратами (в энергетическом выражении), необходимыми для его «строительства» и поддержания. Растения с плавающими листьями, как правило, имеют гораздо меньшую биомассу, чем наземные, из-за высокого оборота листьев: старые листья, покрытые новообразованными, погружаются в воду и теряют свою функцию фотосинтетического аппарата.

Это говорит о том, что уникальная форма амазонской кувшинки могла развиться как естественное инженерное решение, которое способствовало как сохранению низкой биомассы листьев, так и сохранению большой площади поверхности, доступной для фотосинтеза.

Сверху гигантские листья амазонской кувшинки напоминают плавающие диски с загнутыми вверх краями. Однако нижняя сторона листа покрыта фрактальной сетью ветвящихся жилок, которые обеспечивают структурную поддержку листовой пластины. Балкообразные жилки расходятся от черешкового (листового стебля) прикрепления и рассекаются более мелкими жилками (анастомозами) под прямым углом. Листовая пластинка, будучи относительно тонкой для такого большого листа (около 1 мм), обеспечивает большую площадь поверхности для фотосинтеза и содержит небольшие цилиндрические поры, которые вместе с пазухами функционируют как сток дождевой воды.

На краю листа вздернутый край содержит две диаметрально противоположные пазухи в срединной плоскости. Морфология этих отличительных черт на краю листа была приписана механике. Тонкая упругая пластина, которая растет в неоднородном поле деформации, может образовать на своем краю неплоскую складку (из-за накопленного радиального напряжения), которая очень напоминает перевернутый край листа.

Изображение
Нижняя сторона листа Виктории амазонской

Ученые решили выяснить, за счет чего гигантские листья Виктории амазонской, способные вырастать до 3 м в диаметре, сохраняют свою целостность при высоких нагрузках. Как оказалось, несмотря на свои габариты, листья V. cruziana достаточно тонкие. Можно было бы предположить, что это недостаток, если бы нижняя сторона листа не была усеяна множеством разветвленных жилок, толщина и ширина которых уменьшается при отдалении от центра. Эти жилки служат укрепляющими «балками», за счет чего нагрузка, приложенная к листу, равномерно распределяется по всей площади. Такая архитектура и позволяет листьям V. cruziana вырастать до внушительных размеров, что позволяет растению получать куда больше солнечной энергии, чем конкурирующие растения.

https://habr.com/ru/company/ua-hosting/blog/652049/
Поделиться:

Ответить    ПОМОЩЬ по форуму!