Высокоточное 3D-исследование пыльцы сосны показало, что нанопены — ключ к выживанию в массовых вымираниях
Учёные из Музея естественной истории в Лондоне (Великобритания) и Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле (Франция) обнаружили, что пыльца некоторых растений пережила массовые вымирания благодаря, в частности, нанопенной структуре своей стенки. Это может объяснить выживание определённых групп растений. Впервые учёные описали биологическую нанопенную структуру. Результаты опубликованы в Science Advances.
Пыльцевые зёрна защищают генетический материал растений от угроз окружающей среды во время размножения и поэтому жизненно важны для их выживания. Для этой цели самые ранние наземные растения развили прочную внешнюю стенку пыльцевых зёрен, состоящую из высокоустойчивого органического полимера — спорополленина. Благодаря этому щиту растения вроде хвойных деревьев, существующие 300–400 миллионов лет, пережили несколько массовых вымираний, включая то, что уничтожило динозавров в конце мелового периода. Теперь учёные выяснили, как адаптировалась пыльца хвойных, благодаря экспериментам в ESRF.
Команда учёных из ESRF и Музея естественной истории, включая палинологов, материаловедов и физиков, объединилась для раскрытия секретов пыльцевой стенки. Они выбрали для анализа пыльцу хвойных, так как её эволюционная история длиннее, чем у цветковых растений, и её можно было эффективно сравнить с ископаемым материалом из коллекций музея.
Эксперименты на стенке пыльцы проводились с использованием рентгеновской нанотомографии и нано-визуализации рентгеновской флуоресценции на линии ID16A в ESRF. Александра Пакуряну, исследователь ESRF и соавтор статьи, объясняет важность этих методов для получения точной картины: «Уникальные возможности этих технологий позволили нам впервые исследовать наноразмерную 3D-структуру и естественный элементный состав в неповреждённых зёрнах, не прибегая к окрашиванию, заливке в смолу или срезам».
Стивен Стакинс, палинолог Музея естественной истории в Лондоне и также соавтор, отмечает, что это был его первый опыт на синхротроне: «Эксперимент был сложным, так как требовал образцов размером менее 100 микрон и в криогенных условиях. Он был очень успешным, потому что в команде было четыре учёных из ESRF, которые внесли свой опыт во все технические аспекты».
Данные впервые показали нанопенную структуру, созданную природой. «Пена — это адаптация для защиты генетического кода организма. Она помогла группе растений пережить все агрессивные воздействия окружающей среды и климата за последние несколько сотен миллионов лет: химические и физические атаки, кислотные дожди или УФ-излучение, например», — объясняет Стакинс. Команда также использовала атомно-силовой микроскоп (AFM) в ESRF, чтобы сравнить пыльцевую стенку с другими природными и синтетическими пенами, и обнаружила, что механические свойства были схожими, что подтверждает гипотезу о нанопене.
«Эта новая количественная характеристика пыльцевой стенки важна для настоящих и будущих применений этого материала», — говорит Мари Капрон, материаловед из ESRF. Фармацевтическая промышленность исследует пыльцу как механизм инкапсуляции и направленной доставки лекарств, поэтому новые данные потенциально могут помочь понять этот процесс. Открытие нанопены также может послужить научному сообществу, использующему пыльцу как шаблон для проектирования биомиметических материалов. Следующий шаг для команды — выяснить больше о роли пены в пыльце, как происходит опыление и почему у одних видов пыльцы есть нанопена, а у других — нет.