植物学における光学：viburnumtinusベリーの構造色

夏は何と関連付けますか？一部の人にとっては、これは待望の休暇の期間であり、誰かにとっては休暇であり、誰かにとっては暑さ、蒸れ、不快感です。美食の観点から夏を考えると、これは野菜、果物、果実の時期であり、味や利点だけでなく、見た目も大好きです。生物学の最初のコースから知っているように、多くの植物の果実には特定の特性があり、その目的は潜在的なグルメを引き付けることです。これは、成長地域を拡大するための戦術の重要な要素です。果物の大部分は明るくジューシーな色をしており、その良さを示しています。ベリーのこの色またはその色の主な原因は皮の色素ですが、これが唯一の染色技術ではありません。ブリストル大学の科学者は、月桂樹のviburnum（Viburnum tinus）細胞壁の脂質ナノ構造を使用して、これまで知られていなかった構造着色の変種であるベリーを着色します。ベリーに濃い青色を与えるこれらの脂質ナノ構造について、何がそれほど珍しいのでしょうか、そしてこの発見の実際の応用は何ですか？科学者の報告はこれらの質問に光を当てるでしょう。行く。

研究成果

この作品の主人公は月桂樹のviburnum（Viburnum tinus / viburnum tinus）です。これは、地中海地域で育つ、高さ6メートルまでの常緑の茂みまたは木です。





開花中のViburnumtinus。



Viburnum tinusは、年に数回、紺色の果実で実を結び、黒頭のウグイス（Sylvia atricapilla）やロビン（Erithacus rubecula）など、多くの種類の鳥に餌を与えます。他のベリー植物と同様に、V。tinusviburnumの鳥は、種子を新しい領域に広げる主な方法です。





Sylvia atricapilla（左）とErithacus rubecula（右）。



一見、この植物には特別なことは何もありません。人々の間の麻酔と鳥の間のグルメを喜ばせる美しい常緑の低木。しかし、ベリーの詳細な調査はそうではないことを示唆しています。他の植物は果物を着色するために異なる化合物を使用しますが、viburnumtinusは構造着色を使用します。V. tinusベリーの青い色は、皮膚にアントシアニン色素が存在することが原因であると以前は信じられていましたが、これは当然のことながら真実ではありません。



構造的な色は動物相の間で非常に一般的です：蝶の羽、カブトムシの殻、孔雀の羽など。それらの場合の色は、可視光との干渉を引き起こす表面のナノスケールの構造的特徴のために形成されます。





自然界の構造色の例：A-三角形のハイビスカス（Hibiscus trionum）; B-タマムシビートル（Chrysochroa fulgidissima）; C-モルフォレテノール種の蝶; D-一般的な蚊（Culex pipiens）; E-海のマウス（Aphrodita aculeata）; F -Pachyrhynchusargus種のカブトムシ; G-種Paridessesostrisの蝶。



科学者の注目を集めたViburnumTinusの特徴は、構造染色の新しいメカニズムを示すだけでなく、これが可能な数少ない植物の1つでもあるということです。





画像No.1V.tinusの



果実（1C）スペクトルの青と紫外線の領域で光を方向性を持って反射します（金属の外観を与えます）。反射光の偏光は大部分が保持されており、外側の外果皮の高度に構造化された細胞壁からの反射に起因して、着色が構造的であり、着色されていないことを示しています*（2A）。

エピカープ*は胎児の外層です。

この組織を解剖すると、暗赤色のアントシアニン色素が放出されます。フォトニック構造によって反射されない光は、その下の暗赤色の顔料（2Aおよび3C）によって吸収されます。





画像＃2



この吸収により、光の後方散乱が防止され、セルの外壁からの青色の反射の視認性が向上し、青色の色が視覚的に改善されます。



これらの観察から、V。tinusの果実の色は、青色の光波を選択的に反射する物理的なナノ構造と青色を増強する顔料のベース層の組み合わせの結果であるとすでに結論付けることができます。言い換えれば、化学と物理学の結合。



果物に青い色を作り出すナノ構造を特徴づけるためにV. tinus、科学者は電子顕微鏡法のいくつかの方法を使用しました。



新鮮な組織の走査型電子顕微鏡法（2A）は、胎児の表面に平行で、最も外側の外果皮細胞の細胞壁に埋め込まれた厚い（10〜30 µm）多層構造の存在を明確に示しています。果実の表面は、層状構造の上にワックス状のキューティクル（2〜6 µm）で覆われています。層状構造は、キューティクルとセルロースが豊富な一次細胞壁の間の領域の細胞外壁の大部分を占めています。層の厚さは30〜200 nmで、セル全体を覆っています。



透過型電子顕微鏡は、このアーキテクチャが、電子散乱能力と屈折率がマトリックスとは異なる小さな気泡の多くの層で構成されていることを示しています。





画像＃3



走査および透過顕微鏡画像は、マトリックスが典型的な植物細胞壁の重要な成分、すなわちセルロース、ヘミセルロースおよびペクチンを含むように見えることを示しています。ルテニウムレッド（3D）染色は、有意なペクチン含有量を示し、電子回折パターンは、天然セルロース結晶の特徴的な回折リング上のセルロースの存在を示しています。



対照的な層は離散的であり、互いに区別されたままであるが、平行でない隣接する層およびそれらの球状構造の不均一性によって重大な無秩序がもたらされることに留意されたい。



表皮細胞壁（2E）の画像は、これらの球状小胞が結合層に組織化されており、それを通してセルロース細胞壁マトリックスがブリッジとフィラメントによって接続されたままであることを示しています（2Bおよび以下のビデオ）。





球状多層構造モデル（2D画像に対応）。



このことから、V。tinus果実の表皮の球状多層構造は、さまざまな方法を使用して細胞壁のマトリックスに埋め込まれた脂質で構成されていることがわかります。



次に、果実表皮の極薄スライスをクロロホルムに曝露した。非極性有機溶媒への溶解性は脂質の存在を明確に示しているため、この分析は非常に示唆的です。



（3A）の前と（3B）の後の同じサンプル領域のTEM画像a）クロロホルムへの曝露は、球形構造が処理によって除去されたことを示します。最後の画像では、多層球状相のコントラストが低下していますが、マトリックス内の空の構造は表示されたままです。比較すると、水への暴露は、球状ラミネートの超構造または画像コントラストを変化させなかった。これは、材料が非極性溶媒でのみ抽出できることを示している。さらに、科学者が脂質に結合するイミダゾール緩衝四酸化オスミウム（C ₃ H ₄ N ₂ / OsO ₄）を化学固定の過程で使用した場合、球状層が染色され、脂質の性質が確認されました。



また、ペクチンに結合するルテニウムレッドを使用した場合、細胞壁マトリックスが染色されたが、イミダゾール緩衝液がないために球状構造が除去された。



研究中に適用されたすべての染色バリエーションの間に、小球の周りに暗い輪郭が観察されました（3E）。科学者によると、これは、二次細胞壁の疎水性分子と親水性多糖類との間の界面で理論的に必要な脂質膜の存在を示している可能性があります。



科学者たちは、脂質はさまざまな分子構造で構成されており、通常、融点に基づいてワックス、脂肪、油に分類されることを思い出させます。



植物の表皮の表面にはワックスが簡単に見つかり、防水性のワックス状のキューティクルを形成します。ワックスにも多くの分子構造が含まれていますが、主成分はアルカンのままであり、実質的に消化されません。鳥にとって栄養価はありません。一方、脂肪と油は、デンプンやタンパク質よりも単位体積あたりのエネルギーがはるかに多いため、重要な栄養成分です。脂肪は通常、種子に大量に含まれています。胎児の奥深く。V.tinus



フルーツの場合球形構造が大きくてエネルギーに富む種子とワックス状の外側のキューティクルの両方に近接しているため、ワックスと脂肪の区別は、構造の機能的重要性と起源を理解する上で特に重要です。したがって、脂質小球が難消化性ワックスであるか、栄養性の油脂であるかを判断する必要があります。このために、光学顕微鏡が使用されました。V.tinus



胎児の組織切片をナイルブルーA（色素）とインキュベートしました。これは、V。tinus細胞壁の小球が豊富な領域を青または青紫（3C）に染色します。）。これは、小球が遊離脂肪酸であり、ピンクまたは赤に変わるクチンポリマー（クチキュラー膜の成分）ではないことを示唆しています。



さらに、多層球状構造の電子回折パターンは、明確な環状パターンを示しており、これは、セルロース結晶の特徴的な2つのリングを備えたセルロースセル壁の図とは異なります。このパターンは、脂質体が結晶性である可能性が高く、したがって、キューチンなどの重合分子ではなく、均質な単量体脂質であることを示しています。



観察されたセルロースマトリックスと層状脂質小球の混合構造がV.tinus果実の青色反射の原因であることを確認する、科学者はその光学応答をモデル化しました。このために、科学者は2つの数学モデルを研究しました。球の2次元配列と、1次元の2相多層のセットの平均です。





画像＃4



リバースエンジニアリングアルゴリズムを使用して、2次元空間の構造を一連の球状クラスターとしてシミュレートしました。スキーム4A - 4Cの隣接モデル化反射スペクトルに対応します。このアルゴリズムを使用すると、サイズと構造を調整することで、さまざまなタイプの障害を球状の多層膜に個別に導入できます。粒子の位置のフーリエ変換。



モデリングの過程で、以下が研究されました：小球の直径の変化の程度が変化する層状脂質小球の光学的応答（4A）;隣接する小球間の角度の乱れ（パラメーターSp、4B）および隣接する小球間の平均距離での乱れ（パラメーターSk、4C）。



異なるタイプの無秩序（4A - 4C）の導入は、球形多層の光学応答、すなわちピーク強度の減少に常に同じ影響を及ぼしました。



したがって、各無秩序要素を個別に検討する代わりに、V。tinus細胞壁の構造と材料組成は、セルロース（n = 1.55）と典型的な植物脂質（n = 1.47）に対応​​する屈折率を持つ無秩序な一次元多層によって近似されました。両方の材料の厚さ分布をに示します。4D。また、1Dレイヤーの平均を使用してモデル化された反射率を図4Eに示します。



断面測定で観察された無秩序をコヒーレント秩序反射モデルに導入すると、その反射スペクトルが拡大します。



モデルによって科学者がV.tinusベリーの色を正確に理解できる場合、モデリングはそのようなメカニズムの必要性をカバーしていません。V. tinus



の最大の種間相互作用は、この驚くべき植物の果実を食べている鳥に関連しています。乳首のスペクトル感度との比較（1D）は、ベリーの色がこの種の鳥にとって視覚的に重要な範囲内にあることを示しています。



もちろん、ベリーは空中に浮かぶことはありませんが、葉が成長する枝に付着しています-視覚的な背景。葉の主なクロロフィル色素のため、大部分は背景が緑色です。クロロフィルは広いスペクトル特性を持ち、550 nmにピークがあり、500 nm未満では反射率がほとんどないため、V。tinusの果実の色は葉と色のコントラストがあります。言い換えれば、ベリーはそのような葉の背景に対してさらに目立つように見えます。



鳥の視覚信号が優先されることが多いことを考えると、V。tinusベリーの脂質構造の着色は、空腹の鳥の強力な視覚信号として機能します。



鳥の餌の色が食用の主要なパラメーターである可能性があることを考えると、V。tinusベリーの色は、それらが食用で栄養価が高いことを示しています。



果物の色とその栄養価との関係は以前に研究されています。いくつかの報告によると、ブラジル地域の植物のダークフルーツは炭水化物が豊富で、地中海の植物のダークフルーツは脂質が豊富です。



科学者たちは、V。tinusの場合、青い色はベリーが栄養脂質に富んでいることを示していると信じています。ちなみに、これがこの色を作り出しています。



科学者は、信号のコンテキストがそのソースと一致する場合、この信号の方法を「正直」または「直接」と呼びます（脂質による青色-脂質含有量が高い）。この信号方式は、古典的な色素沈着の使用が植物にとってより簡単であるため、かなり高価です。それにもかかわらず、V。tinusが異なる種の鳥の注意を引くという形で受け取るリターンは、明らかに、この欠陥を克服します。



研究のニュアンスについてのより詳細な知識については、科学者の報告を調べることをお勧めします。

エピローグ

色は、生物が周囲の世界について受け取る視覚情報の重要な要素です。多くの動物は、その色を使って、カモフラージュしたり、仲間を引き付けたり、敵を追い払ったりします。これらの戦術のいくつかは植物にも存在しますが、最も重要なのは種間コミュニケーションの維持です。V. tinusの場合、鳥がこの植物の主なパートナーであり、種子を長距離に広げるために必要です。これにより、V。tinusの生息地が大幅に増加し、したがって種の生存の可能性が大幅に高まります。



多くの植物の果実の味は、さまざまな種の動物の注目をどれだけ引き付けたいかによって異なります。いくつかの果物は、例えば、特定の種類の鳥にとってはおいしいでしょうが、他のすべての人にとっては、それらは実質的に食べられないでしょう。種間コミュニケーションのような複雑なシステムでは、それを形成する植物と動物の種の共進化の程度が重要な役割を果たします。



月桂樹のviburnumの青い色は、その非標準的な起源にあります-V.tinusベリーの表皮細胞の壁に含まれる脂質ナノ構造。特に脂質によるこの染色方法（構造的）は、これまでV.tinusの植物にのみ見られました。..。さらに、脂質染色は、どんなに奇妙に聞こえても、ベリーの脂質含有量が高いことを鳥に伝えることができます。



起源がその文脈と一致する正直な信号は、本質的に非常にまれです。この希少性の説明は非常に簡単です。あなたがパン屋を所有していると想像してください。より多くの顧客を引き付けたいので、チラシを配布します。したがって、信号には1つのコンテキストがあります（おいしいパンがあります）が、その起源は異なります（私はパンを持っていませんが、より良いものはパンの描画です。つまり、チラシは単なる一枚の紙です）。パンを配る場合、それは正直な合図になりますが、はるかに高価です。V.tinus



ベリーのような以前は多層脂質構造バイオマテリアルでは見られませんでした。過去には、現在のような高度なツールやテクニックがなかったため、多くの詳細が誤って記録されたり、完全に欠落したりしていました。



将来的には、科学者は他の植物を分析する予定であり、理論的には同様の脂質ナノ構造を持っている可能性があるため、従来とは異なる果物の着色方法です。さらに、科学者たちは、彼らの研究がより安全な食品の色を作り出すのに役立つと信じています。



ご清聴ありがとうございました。好奇心を持ち、素晴らしい週末をお過ごしください。:)

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