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      復(fù)雜生物體系結(jié)構(gòu)的物??理基礎(chǔ)
      
			
      
				2019-02-16 09:28:11
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      建筑物的建筑計劃規(guī)劃了防止其坍塌所需的內(nèi)容。但設(shè)計不僅僅是功能性的：通常，它也很漂亮，線條和形狀可以令人驚嘆和鼓舞。精美的建筑不僅限于人造建筑。大自然充滿了華麗的結(jié)構(gòu)，從貝殼的螺旋形分形圖案到大腦中復(fù)雜編織的神經(jīng)元陣列。
      

      復(fù)雜生物體系結(jié)構(gòu)的物??理基礎(chǔ)
      

      在微觀世界中包含了復(fù)雜的圖案和設(shè)計，如對單個顆粒的幾何圖案的公平份額花粉?？茖W(xué)家們對這些錯綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)著迷，這些結(jié)構(gòu)小于人類頭發(fā)的寬度，但尚未確定這些圖案的形成方式以及它們看起來如何。
      

      賓夕法尼亞大學(xué)物理與天文學(xué)系的研究人員開發(fā)了一個模型，描述了這些模式是如何形成的，以及花粉如何演變成各種各樣的結(jié)構(gòu)。研究生Asja Radja是該研究的第一作者，并與研究生Eric M. Horsley和前博士后的Maxim O. Lavrentovich合作，后者現(xiàn)在在田納西大學(xué)工作。該研究由Alison Sweeney副教授領(lǐng)導(dǎo)。
      

      Radja 在顯微鏡數(shù)據(jù)庫中分析了數(shù)百種開花植物的花粉，包括虹膜，藜，莧菜和九重葛。然后，她開發(fā)了一種實驗方法，包括從花粉粒中去除多糖“鼻涕”的外層，并采用高分辨率顯微圖像，顯示花粉在微米級形成時的華麗細(xì)節(jié)。
      

      Sweeney和Radja最初的假設(shè)是花粉球是由屈曲機(jī)制形成的。當(dāng)材料在外側(cè)較強(qiáng)但在內(nèi)側(cè)柔韌時會發(fā)生屈曲，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)向內(nèi)收縮并在表面形成凹陷或“扣環(huán)”。但他們收集的數(shù)據(jù)并不符合他們最初的想法。
      

      “艾莉森告訴我，對于任何生物系統(tǒng)，你必須真正盯著它才能弄清楚到底發(fā)生了什么，”拉德亞談到她花在研究花粉圖像上的時間。研究花粉的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是以全新的視角審視問題，以便思考基礎(chǔ)物理學(xué)可以解釋結(jié)構(gòu)的原因。
      

      該解決方案發(fā)表在Cell上，代表了第一個基于理論物理學(xué)的花粉模式形成框架。該模型指出花粉模式通過稱為相分離的過程發(fā)生，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)該過程也可以在其他系統(tǒng)中生成幾何模式。相分離的日常例子是奶油與牛奶的分離; 當(dāng)牛奶在室溫下放置時，奶油自然地上升到頂部，沒有任何額外的能量，如混合或搖動。
      

      Radja能夠證明，開發(fā)花粉孢子的“默認(rèn)”趨勢是經(jīng)歷相分離，然后產(chǎn)生細(xì)致和凹陷的模式。“這些錯綜復(fù)雜的模式實際上可能只是沒有給系統(tǒng)注入任何能量的幸福結(jié)果，”Radja說。
      

      然而，如果植物通過分泌防止相分離的剛性聚合物來暫停這種自然的圖案形成過程，例如，它們可以控制形成的形狀。這些植物傾向于具有更光滑和更球形的花粉孢子。令人驚訝的是，需要額外能量的光滑花粉粒比華麗晶粒更頻繁地出現(xiàn)，這表明光滑的晶?？梢蕴峁┻M(jìn)化優(yōu)勢。
      

      這個生物物理框架現(xiàn)在將使研究人員能夠研究更大類的生物材料。Sweeney和她的小組將看看相同的規(guī)則是否可以解釋生物學(xué)中更復(fù)雜的建筑，如昆蟲的刷毛或植物的細(xì)胞壁。
      

      Sweeney的團(tuán)隊還與賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的材料工程師Shu Yang合作開發(fā)花粉材料。“像花粉一樣的材料通常具有超疏水性，因此你可以非常復(fù)雜地控制水與表面的相互作用，”斯威尼說。“這種機(jī)制的好處在于它是被動的;如果你能模仿花粉形成的方式，你可以將聚合物放在你想讓它們自己去的地方，而不必進(jìn)行昂貴且難以復(fù)制的復(fù)雜工程。”
      
			

			
        
      
			
      
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