Растения «кусаются»: учёные обнаружили «зубы» у растений семейства лоазовых
Кальция фосфат — широко распространённый биоминерал в царстве животных: кости и зубы в значительной степени состоят из этого очень прочного минерального вещества. Исследователи из Боннского университета впервые продемонстрировали наличие кальция фосфата в качестве структурного биоминерала у высших растений. Это вещество придаёт необходимую «остроту» жгучим волоскам представителей семейства лоазовых (Loasaceae). Оно укрепляет трихомы, которые служат защитой от травоядных. Для сравнения, жгучие волоски нашей родной крапивы укреплены стеклоподобным кремнезёмом (SiO2). Результаты исследования опубликованы в журнале Scientific Reports.
Животные пробуют их на вкус только один раз: когда язык касается микроскопических трихом лоазовых, кончики жгучих волосков обламываются, и болезненный коктейль выливается в чувствительную ткань. Центр разнообразия этих хорошо защищённых растений находится в южноамериканских Андах. «Механизм очень похож на механизм нашей хорошо известной крапивы», — говорит профессор д-р Максимилиан Вайгенд из Института биоразнообразия растений Нееса при Боннском университете. Помимо разного внешнего вида, между крапивой и лишь отдалённо родственными ей лоазовыми есть и другие различия: местная крапива укрепляет свои игольчатые волоски кремнезёмом, в то время как их эффектно цветущие южноамериканские аналоги используют для этой цели кальция фосфат.
Кальция фосфат ранее никогда не документировался как структурный биоминерал у высших растений. «Минеральный состав жгучих волосков очень похож на состав человеческих или животных зубов», — говорит профессор Вайгенд, который исследует чрезвычайно разнообразные лоазовые уже 25 лет. Многие учёные ранее отмечали поразительно жёсткие волоски этой группы растений, но никто не исследовал их химический состав. Ботаники исследовали жгучие волоски — устроенные как шприцы для подкожных инъекций — с помощью собственного электронного микроскопа и в сотрудничестве с коллегами из Института геологии, минералогии и палеонтологии Штайнмана и Института неорганической химии Боннского университета.
Кончики жгучих волосков структурно похожи на железобетон
Было показано, что особенно механически сильно нагруженные кончики волосков инкрустированы кальция фосфатом. «По сути, это композитный материал, структурно похожий на железобетон», — объясняет профессор Вайгенд. Волокнистая целлюлоза, типичный материал клеточных стенок растений, служит каркасом и плотно инкрустирована крошечными кристаллами кальция фосфата. Учёный из Боннского университета убеждён: «Это делает жгучие волоски необычайно жёсткими».
Пока неясно, почему лоазовые развили именно этот тип биоминерализации, в то время как большинство растений используют в качестве структурных биоминералов кремнезём или карбонат кальция. «Распространённая причина любых решений в эволюции заключается в том, что организм обладает или не обладает определённым метаболическим путём», — говорит профессор Вайгенд. Однако лоазовые способны метаболизировать кремнезём и использовать его в качестве структурного биоминерала — наряду с кальция фосфатом. В настоящее время не понятно, почему именно кальция фосфат используется в кончиках жгучих волосков — то самое вещество, из которого также состоят ротовые аппараты их врагов. «Сейчас мы можем только строить догадки об адаптивных причинах этого. Но похоже, что лоазовые платят той же монетой — зуб за зуб», — усмехается биолог из Боннского университета.
Бионика: растительные трихомы как шаблоны для заменителей костей
Дополнительные исследовательские проекты направлены на изучение того, какие другие растения могут использовать структурный кальция фосфат для решения проблем в своей естественной среде и какие биомеханические преимущества этот материал даёт растениям. Открытие также потенциально важно для бионических применений. «Хирургические заменители костей должны быть высоко совместимы с тканями, композиты на основе целлюлозы, вероятно, соответствуют этому критерию», — говорит профессор Вайгенд. Первые попытки создания искусственных композитов целлюлоза-кальция фосфат были предприняты другими исследователями, но до сих пор не был известен природный шаблон. Композит целлюлоза-кальция фосфат в лоазовых может стать именно таким шаблоном.