Ученые подсмотрели за циркуляцией воды в резуховидке
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 полезных и более устойчивых культур. 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
Растения, обладающие древесиной, могут их пережить, а травянистые — нет
Ботаники предположили, что высокая доля древесных растений на островах может объясняться регулярными вулканическими извержениями, во время которых обширные территории засыпает пеплом. На примере острова Ла-Пальма в Канарском архипелаге исследователи продемонстрировали, что травянистые растения во время таких катаклизмов погибают, а их семена не могут прорасти через толстый слой пепла. А вот деревья и кустарники способны пережить извержения благодаря одревесневшим стеблям и крупным размерам. Неудивительно, что на островах, где вулканы извергаются регулярно, естественный отбор благоприятствует древесным растениям и превращению травянистых растений в древесные формы. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала npj Biodiversity. Острова часто называют природными эволюционными лабораториями. Благодаря изоляции и специфическим условиям среды жизнь здесь часто принимает необычные формы. Например, птицы и насекомые на островах нередко теряют способность летать, крупные животные превращаются в карликов, а мелкие — в гигантов. А островные растения, происходящие от травянистых предков, часто обзаводятся древесиной и становятся деревьями, кустарниками и лианами (все эти жизненные формы объединены под термином «древесные растения»). Многие из них относятся к родам и семействам, которые на материках представлены исключительно травянистыми формами. Если учесть еще и виды, которые к моменту прибытия на острова уже обладали древесиной, то окажется, что доля древесных растений во флоре островов неожиданно велика. Биологи давно пытаются понять, почему жизнь на островах благоприятствует древесным растениям. Чарльз Дарвин объяснял эту закономерность обостренной борьбой за свет, а современные теории связывают ее с климатическими условиями островов, например, в некоторых случаях, с частыми засухами. Однако дело может быть не только в этом — многие острова имеют вулканическое происхождение и на некоторых из них до сих пор есть действующие вулканы. Флора на таких островах регулярно сталкивается с извержениями и их последствиями, например, пожарами и выпадением вулканического пепла. Возможно, древесина позволяет растениям защититься от подобных экстремальных явлений, что дает древесным формам преимущество над травянистыми. Чтобы проверить эту идею, ботаники под руководством Карла Бейеркунлейна (Carl Beierkuhnlein) из Байройтского университета сосредоточили внимание на Канарских островах, которые имеют вулканическое происхождение и где извержения происходят регулярно на протяжении последних миллионов лет. Многие местные растения происходят от травянистых предков, которые попали на архипелаг из Европы и Африки и за миллионы лет эволюции обзавелись древесиной. Например, среди 26 эндемичных для Канарского архипелага видов синяков (Echium) 25 видов являются двулетними или многолетними кустарниками. Похожие образом обстоит дело с местными представителями родов Sonchus, Aeonium, Sideritis, Pericallis, Cheirolophus и Euphorbia. Весной 2022 года исследователи отправились на канарский остров Ла-Пальма, где с сентября по декабрь 2021 года происходило извержение на вулканической гряде Кумбре-Вьеха. Даже спустя четыре месяца после его окончания большая часть местности здесь была покрыта вулканическим пеплом. Авторы обратили внимание, что там, где слой пепла был самым толстым, растительности почти не осталось, кроме торчащих из него верхушек погибших деревьев. Однако на участках с толщиной отложений от 25 сантиметров до метра полностью погибли только травянистые растения, в то время как большому количеству эндемичных кустарников удалось выжить, причем почти все они после извержения дали новые побеги или зацвели. Авторы предполагают, что в прошлом извержения похожим образом влияли на флору Канарского архипелага и других вулканических островов. Деревья и кустарники могли их пережить благодаря крупным размерам и одревесневшим стеблям, а травянистые растения погибали. Последних не спасали даже семена, оставшиеся в почве, поскольку они не могли прорасти сквозь толстый слой пепла. Таким образом, извержения вулканов на островах, вероятно, действовали и продолжают действовать как фактор естественного отбора, который благоприятствует древесным растениям и работает против травянистых. Неудивительно, что в таких условиях многие виды, происходящие от травянистых предков, обзавелись древесиной и увеличились в размерах. Впрочем, травянистые виды все-таки сохраняются на вулканических островах, благодаря тому, что отдельные их популяции выживают на слабо затронутых извержениями участках. Бейеркунлейн с соавторами признают, что вулканические извержения — не единственный и, скорее всего, даже не основной фактор, из-за которого в островных флорах так много древесных видов растений. Тем не менее его следует учитывать в исследованиях, посвященных видообразованию и формированию экосистем на островах. Ранее мы рассказывали о том, как медоносные пчелы (Apis mellifera) с канарского острова Ла-Пальма смогли пережить извержение Кумбре-Вьеха, запечатав ульи прополисом на 50 дней. Все это время они питались запасами меда. Данный случай демонстрирует, насколько хорошо пчелы выживают в экстремальных условиях.