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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(jì)劃規(guī)劃了防止其坍塌所需的內(nèi)容。但設(shè)計(jì)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(mǎn)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(jì)，如對(duì)單個(gè)顆粒的幾何圖案的公平份額花粉?？茖W(xué)家們對(duì)這些錯(cuò)綜復(fù)雜的結(jié)構(gòu)著迷，這些結(jié)構(gòu)小于人類(lèi)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(lái)如何。
        

        賓夕法尼亞大學(xué)物理與天文學(xué)系的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)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(kù)中分析了數(shù)百種開(kāi)花植物的花粉，包括虹膜，藜，莧菜和九重葛。然后，她開(kāi)發(fā)了一種實(shí)驗(yàn)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(jí)形成時(shí)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(shí)會(huì)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(duì)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(shí)間。研究花粉的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一是以全新的視角審視問(wèn)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(gè)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(guò)稱(chēng)為相分離的過(guò)程發(fā)生，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)該過(guò)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(shí)，奶油自然地上升到頂部，沒(méi)有任何額外的能量，如混合或搖動(dòng)。
        

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

        然而，如果植物通過(guò)分泌防止相分離的剛性聚合物來(lái)暫停這種自然的圖案形成過(guò)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(shì)。
        

        這個(gè)生物物理框架現(xiàn)在將使研究人員能夠研究更大類(lèi)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(chóng)的刷毛或植物的細(xì)胞壁。
        

        Sweeney的團(tuán)隊(duì)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(kāi)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(shuō)。“這種機(jī)制的好處在于它是被動(dòng)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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