Водоотталкивание как первый шаг к жизни на суше миллиард лет назад

Растения используют "эффект лотоса" для самоочистки — капли воды скатываются, очищая поверхность и снижая, например, заражение грибковыми спорами, как обнаружил профессор Вильгельм Бартлотт из Боннского университета четыре десятилетия назад. Но не только растения используют этот эффект — наземные цианобактерии (Hassallia byssoidea) также используют экстремальную водоотталкиваемость для защиты от водных плёнок и конкурентов.

Растения и другие организмы развили структуры и механизмы для колонизации суши за почти полмиллиарда лет. Их поверхности, как ключевой физический интерфейс со средой, в основном служат барьером против потери воды. Исследователи из Бонна предполагают, что экстремальная водоотталкиваемость (супергидрофобность) и связанное с ней самоочищение (эффект лотоса) стали дополнительным ключом к переходу водорослей из воды на сушу около 400 миллионов лет назад. "Супергидрофобность улучшает газообмен на суше и исключает водных конкурентов в водных плёнках", — пишет команда в журнале Frontiers in Plant Science.

В материаловедении и технологии поверхностей супергидрофобность также стала одной из важнейших биоинспирированных инноваций, позволяя избегать водных плёнок и загрязнений — например, в фасадных красках и лаках. В статье исследователи описывают крайне водоотталкивающую биоплёнку устойчивой к высыханию цианобактерии Hassallia byssoidea и приводят доказательства, что происхождение супергидрофобности гораздо древнее, чем считалось. Оно может датироваться примерно одним-двумя миллиардами лет назад.

Многоклеточная бактерия образует "водорослеподобные" нити, которые крайне водоотталкивающи и предотвращают образование водных плёнок. Короткие клеточные нити остаются прикреплёнными к скатывающимся каплям воды, что позволяет организму распространяться через тип капельной инфекции, известный как "разбрызгивающее рассеивание". Затопленный бактериальный газон становится смачиваемым примерно через день и продолжает расти под водой — а при повторном высыхании восстанавливает свою водоотталкиваемость для жизни на суше.

"Теперь у нас есть надёжные данные по цианобактериям в наземных биоплёнках, которые могут переключаться из гидрофильного в стабильное супергидрофобное состояние — и мы предполагаем, что супергидрофобность сыграла решающую эволюционную роль в переходе на сушу почти всех организмов", — говорит профессор Бартлотт. Не случайно цианобактерии фигурируют в древнейших известных окаменелостях — строматолитах. Они состоят из тонких слоёв бактериальных матов, вероятно, в первую очередь цианобактерий, которые считаются первыми обитателями суши.

Работа показывает, как супергидрофобность эволюционировала от бактерий к зелёным водорослям, слизевикам, мхам и папоротникам, через самое примитивное цветковое растение Amborella к листьям лотоса. За эффектом, который сегодня нашёл повседневное промышленное применение в качестве биомиметика супергидрофобности, стоит миллиард лет эволюции.