Ученые подсмотрели за циркуляцией воды в резуховидке

Flavius C. Pascut et al. / Nature communications, 2021

Ученым удалось подглядеть за тем, как происходит циркуляция воды в растении в режиме реального времени. Они предложили неинвазивный метод исследования, основанный на измерении спектров рассеянного излучения. С помощью этого метода авторам удалось не только отследить выделенные направления движения воды, но и ее циркуляцию во времени. Работа опубликована в Nature Communications.

Спектроскопия комбинационного рассеяния активно используется в биологии благодаря своей точности и возможности быстро и неинвазивно исследовать образец. В основе метода лежит рассеяние лазерного излучения на атомах и молекулах вещества. Существует два типа рассеяния — рассеяние Рэлея, при котором рассеянный и падающий лучи имеют одинаковую длину волны, и комбинационное рассеяние (в англоязычной литературе используют термин «рамановское рассеяние» — в честь индийского физика Рамана, получившего нобелевскую премию. Отечественное научное сообщество посчитало решение нобелевского комитета несправедливым, так как советские физики предсказали этот эффект раньше открытия Рамана, и вместо термина «рамановское рассеяние» оставили введенное ранее Мандельштамом «комбинационное рассеяние»), при котором отраженный луч имеет отличную от падающего длину волны. Изменение длины волны, а, следовательно, и энергии фотонов, отраженных от молекулы связано с тем, что прилетающий фотон отдает часть энергии этой самой молекуле. Дополнительная энергия заставляет атомы в молекуле колебаться, причем в зависимости от того, из каких атомов она состоит и какие связи для этого использованы, значение этой энергии может меняться. То есть, смещение длины волны рассеянного света относительно длины волны падающего несет в себе информацию о том, от какой молекулы этот свет отразился.

Ученые под руководством Кевина Вебба (Kevin F. Webb) из Ноттингемского университета смогли адаптировать спектрометр, регистрирующий комбинационное рассеяние для того, чтобы исследовать движение воды в корневой системе растений. Точность метода позволила определить перемещение воды между разными участками и тканями корня и с помощью последующего моделирования оценить скорость ее движения в ксилеме — основной с точки зрения пропускания воды ткани.

В работе авторы исследовали корневую систему резохувидки Таля и циркуляцию воду в ней. Интересно, что для того, чтобы отслеживать движение молекул воды H20, авторам потребовалась и другая молекула — D20 (тяжелая вода). Дело в том, что метод спектроскопии комбинационного рассеяния с высокой точностью может отличать одну молекулу от другой по составу — смещение длины волны отраженного сигнала относительно длины волны падающего будет разным для обычного и тяжелого изотопов воды. Поэтому спектрометр сможет безошибочно определить какая именно жидкость протекает по тканям растения.

Чередование жидкостей, которые поглощало растение, позволяло ученым отслеживать по каким тканям распространяется вода или тяжелая вода. Удобно, что оптический метод позволяет фокусировать пучок и собирать рассеянное излучение на разных глубинах материала — и непосредственно на поверхности, и внутри. Оказалось, что вода протекает через корни растения по внутренним тканям, практически не поглощаясь окружающими. Кроме того, на основе полученных данных авторы предположили, что вода от корня попадает в основную часть растения и только потом распределяется по периферии.

Расчет скорости движения воды требовал многократного измерения спектра в одной и той же точке в течение длительного промежутка времени — пока вся тяжелая вода не пройдет эту точку или наоборот. Если замещать тяжелую воду обычной, то в одной фиксированной точке число молекул тяжелой будет уменьшаться, а сигнал на спектрометре падать. Измерение этой динамики и использование модели тканей позволило получить значения скорости протекания тяжелой воды, которое совпало с теоретическим.

Ученые планируют дальнейшие исследования с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, в частности, измерение зависимости поглощения воды от внешних условий для выведения полезные и более устойчивых культуры. Кроме этого, они планируют уменьшать и упрощать сам спектрометр для использования его не то только в лабораторных, но и в полевых условиях.

Оптические методы исследования живых клеток открывают новые возможности и в медицине: Ученые из Гарвардского Университета с помощью комбинационного рассеяния научились отслеживать раковые клетки без использования меток и инвазивных процедур.

Оксана Борзенкова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.