31.01 - 06:26

Физики объяснили морщинистую форму листьев водных растений


 

Ученые создали модель роста водных растений, которая позволила прояснить формирование листьев в зависимости от того, лежат ли они на воде или подвешены в воздухе. В итоге разнообразие морфологий листьев удалось объяснить теоретически, а также подтвердить в эксперименте. Результаты могут пригодиться при разработке разворачиваемых биомиметических структур, пишут авторы в журнале Physical Review Letters.

Многие органы и ткани живых организмов приобретают сложную форму или окраску по мере роста. Закономерности появления таких особенностей можно описывать с помощью математических моделей, иногда даже не вдаваясь в биологические детали протекающих процессов. Классический пример успешности подобного подхода — это работа Алана Тьюринга 1952 года, в которой получена математическая модель, способная воспроизводить рисунки на шкуре животных.

Другой ситуацией из биологии, в которой одинаковые по внутренним свойствам ткани оказываются внешне различны, является рост листьев некоторых растений, таких как лилии и лотосы. Если листья этих видов вырастают на поверхности воды, то они обладают плоской формой с мелкой извилистостью по периметру. Однако у этого же растения некоторые листья могут нависать над водой, и тогда они приобретают изогнутую форму чаши с плавной волнистостью по краю.

Ключевой работой по росту мягких тканей и получающейся в результате форме органа является статья 1994 года, в которой построен общий математический формализм описания подобной задачи, он сводится к одновременному описанию разрастания ткани и возникающих в ней растяжений и смещений.

Фань Сюй (Fan Xu) и его коллеги из Фуданьского университета дополнили полученную ранее модель роста листьев, которая правильно описала возникающую форму. Двумя ключевыми новшествами оказались учет возможной механической поддержи со стороны водной поверхности и возможность неоднородной скорости роста, из-за которой, в частности, возможно общее изгибание листа, так как противоположная Солнцу сторона может расти быстрее.

Численные симуляции в новой модели смогли правильно воспроизвести разнообразие форм листьев лотоса. Также ученые решили экспериментально проверить выводы, для чего изготовили из распухающего при контакте с водой материала искусственные листья. Опыты с селективным смачиванием мест наиболее интенсивного роста или наблюдения изменения формы лежащего на воде заменителя листа показали соответствие с теоретическими оценками и реальными растениями.

Согласно теоретическим оценкам, во всех случаях форма листа объясняется минимизацией энергии листа, края которого растут недостаточно быстро по сравнению с его основной частью, из-за чего отношение периметра к площади должно падать. Если лист лежит на воде, то она фактически к нему прилипает, и изгиб края также приводит к поднятию воды — в такой ситуации оказывает энергетически выгодно сформировать множество неровностей небольшой амплитуды. Вместе с тем, рост находящегося в воздухе листа в меньшей степени ограничен, из-за чего доступно возникновение крупных колебаний, которые оказываются менее энергетически затратными в отсутствии воды. При этом механические свойства ткани могут влиять на этот процесс: листья с более жесткими жилками изгибаются слабее.

Ранее ученые выяснили, что окраску ящериц можно описать с помощью клеточного автомата фон Неймана, а ключевым фактором, определяющим размер листьев, является вероятность замерзнуть ночью.

Тимур Кешелава

https://nplus1.ru/

Ключевые слова:
Читайте также:

Высокие дозы этого витамина усиливают иммунотерапию при борьбе с раком

Группа ученых из Италии установила, что введение мышам высоких доз витамина С (аскорбиновой кислоты) усиливает иммунотерапию, что приводит к замедлению или прекращению роста опухоли.
Подробнее »»

Эксперт: в разгар эпидсезона больше вероятность заболеть гриппом, чем коронавирусом

Поскольку новый коронавирус может напоминать простуду или грипп, возникают трудности при самостоятельных попытках поставить диагноз.
Подробнее »»

Названо популярный препарат, которым нельзя лечить коронавирус

Коронавирус нельзя лечить популярным жаропонижающим лекарством — ибупрофеном, который также является противовоспалительным средством.
Подробнее »»

Как пользоваться контактными линзами, чтобы не заразиться коронавирусом

Чтобы избежать инфицирования, врачи советуют не касаться глаз.
Подробнее »»

Найден простой и доступный способ снизить стресс

Команда ученых из Корнеллского университета провела исследование и обнаружила, что всего 10-минутное созерцание природы помогает студентам снизить последствия физического и психологического стресса, а также почувствовать себя счастливее.
Подробнее »»

Справочная информация

Загрузка...