Com o que você associa o verão? Para alguns, este é um período de férias há muito esperadas, para alguém - férias, e para alguém - calor, abafamento e desconforto. Se considerarmos o verão do ponto de vista da gastronomia, então este é o período dos vegetais, frutos e bagas, que amamos não só pelo seu sabor e benefícios, mas também pela sua aparência. Como sabemos desde o curso inicial de biologia, os frutos de muitas plantas possuem certas propriedades, cujo objetivo é atrair um potencial gourmet. Este é um componente importante das táticas de expansão da área de cultivo. A grande maioria das frutas tem uma cor brilhante e suculenta, indicando sua bondade. A principal fonte desta ou daquela cor nos bagos são os pigmentos da casca, mas esta não é a única técnica de tingimento. Cientistas da Universidade de Bristol descobriram que o louro viburno ( Viburnum tinus) usa nanoestruturas lipídicas nas paredes das células para colorir os frutos, uma variante até então desconhecida da coloração estrutural. O que há de tão incomum nessas nanoestruturas lipídicas que dão aos frutos uma cor azul escura e qual a aplicação prática dessa descoberta? O relatório dos cientistas lançará luz sobre essas questões. Ir.
Resultados da pesquisa
O protagonista deste trabalho é o louro viburnum ( Viburnum tinus / viburnum tinus) - um arbusto ou árvore perene de até 6 metros de altura, crescendo na região mediterrânea.
Viburnum tinus durante a floração.
O Viburnum tinus frutifica várias vezes ao ano com bagas azuis escuras, fornecendo alimento para muitas espécies de pássaros, incluindo a toutinegra-de-cabeça-preta (Sylvia atricapilla) e o tordo (Erithacus rubecula). Como acontece com qualquer outra planta de baga, os pássaros de V. tinus viburnum são o principal método de espalhar as sementes para novos territórios.
Sylvia atricapilla (à esquerda) e Erithacus rubecula (à direita).
À primeira vista, não há nada de especial nesta planta. Um belo arbusto perene que faz as delícias dos estetas entre as pessoas e dos gourmets entre os pássaros. No entanto, um exame detalhado das bagas sugere o contrário. Enquanto outras plantas usam diferentes compostos químicos para colorir seus frutos, o viburnum tinus usa coloração estrutural. Embora se acreditasse anteriormente que a cor azul das bagas de V. tinus é causada pela presença de pigmentos antocianina em suas películas, isso naturalmente não é verdade.
As cores estruturais são bastante comuns na fauna: asas de borboletas, carapaças de besouros, penas de pavão, etc. A cor no caso deles é formada devido às características estruturais em nanoescala da superfície, causando interferência com a luz visível.
Exemplos de cores estruturais na natureza: A- hibisco triplo (Hibiscus trionum); B - besouro tamamusi (Chrysochroa fulgidissima); C - borboleta da espécie Morpho rhetenor; D - mosquito comum (Culex pipiens); E - rato do mar (Aphrodita aculeata); F - besouro da espécie Pachyrhynchus argus; G - uma borboleta da espécie Parides sesostris.
A peculiaridade do Viburnum Tinus, que tem chamado a atenção dos cientistas, é que ele não apenas demonstra um novo mecanismo de coloração estrutural, mas também é uma das poucas plantas capaz disso.
Imagem nº 1
Frutos de V. tinus ( 1C) refletem a luz direcionalmente (dando-lhe uma aparência metálica) nas regiões azul e ultravioleta do espectro. A polarização da luz refletida é amplamente retida, indicando que a coloração é estrutural e não pigmentada, resultante da reflexão da parede celular altamente estruturada do epicarpo externo * ( 2A ).
Epicarpo * é a camada externa do feto.Quando esse tecido é dissecado, um pigmento antocianina vermelho-escuro é liberado. A luz que não é refletida pela estrutura fotônica é absorvida pelo pigmento vermelho escuro abaixo ( 2A e 3C ).
Imagem # 2
Esta absorção evita a retroespalhamento da luz, aumentando a visibilidade do reflexo azul da parede externa da célula e, assim, melhorando visualmente a coloração azul.
A partir dessas observações, já se pode concluir que a cor dos frutos de V. tinus é o resultado de uma combinação de uma nanoestrutura física que reflete seletivamente as ondas de luz azul e uma camada de base de pigmentos que realçam o azul. Em outras palavras, a interface entre a química e a física.
Para caracterizar as nanoestruturas que criam a cor azul nos frutos.V. tinus , os cientistas usaram vários métodos de microscopia eletrônica.
A microscopia eletrônica de varredura de tecido fresco ( 2A ) mostra claramente a presença de uma estrutura de multicamadas espessa (10-30 µm) paralela à superfície fetal e embutida na parede celular das células epicarpais mais externas. A superfície da fruta é coberta por uma cutícula cerosa (2–6 µm) sobre uma estrutura em camadas. A arquitetura em camadas ocupa a maior parte da parede celular externa na área entre a cutícula e a parede celular primária rica em celulose. As camadas têm 30 a 200 nm de espessura e cobrem toda a célula.
A microscopia eletrônica de transmissão mostra que essa arquitetura consiste em muitas camadas de pequenas bolhas, que diferem da matriz na capacidade de espalhamento de elétrons e índice de refração.
Imagem # 3
Imagens de microscopia de varredura e transmissão mostram que a matriz parece conter componentes-chave de paredes celulares de plantas típicas, ou seja, celulose, hemicelulose e pectina. A coloração com vermelho de rutênio ( 3D ) mostra um conteúdo significativo de pectina e um padrão de difração de elétrons demonstra a presença de celulose nos anéis de difração característicos de um cristal de celulose natural.
Deve-se notar que as camadas contrastantes são discretas e permanecem distintas umas das outras, mas uma desordem significativa é introduzida por camadas adjacentes não paralelas e a irregularidade de sua estrutura globular.
A imagem da parede celular epidérmica ( 2E ) mostra que essas vesículas globulares são organizadas em camadas combinadas através das quais a matriz da parede celular de celulose permanece conectada por pontes e filamentos ( 2B e vídeo abaixo).
Modelo de estrutura multilayer globular (corresponde à imagem 2D ).
Conclui-se que a estrutura globular de múltiplas camadas da epiderme dos frutos de V. tinus consiste em lipídios incorporados na matriz da parede celular por meio de vários métodos.
Em seguida, fatias ultrafinas da epiderme da fruta foram expostas ao clorofórmio. Esta análise é altamente indicativa, uma vez que a solubilidade em solventes orgânicos apolares é uma indicação clara da presença de lipídios.
Imagens TEM da mesma área de amostra antes ( 3A ) e depois ( 3Ba) a exposição ao clorofórmio indica que a estrutura globular foi removida pelo tratamento. Na última imagem, o contraste da fase globular multicamadas é reduzido, enquanto as estruturas vazias dentro da matriz permanecem visíveis. Em comparação, a exposição à água não alterou a ultraestrutura ou o contraste da imagem do laminado globular, indicando que o material só pode ser extraído com solventes apolares. Além disso, quando os cientistas usaram o tetróxido de ósmio tamponado com imidazol (C 3 H 4 N 2 / OsO 4 ), que se liga aos lipídios, no processo de fixação química , as camadas globulares ficaram manchadas, o que confirma sua natureza lipídica.
E quando o vermelho de rutênio, que se liga à pectina, foi usado, a matriz da parede celular foi corada, enquanto a estrutura globular foi removida devido à ausência de tampão imidazol.
Durante todas as variações de coloração aplicadas durante o estudo, contornos escuros foram observados ao redor dos glóbulos ( 3E ). Segundo os cientistas, isso pode indicar a presença de uma membrana lipídica, teoricamente necessária na interface entre as moléculas hidrofóbicas e os polissacarídeos hidrofílicos da parede celular secundária.
Os cientistas nos lembram que os lipídios são compostos por uma variedade de estruturas moleculares, geralmente classificadas como ceras, gorduras e óleos, com base em seu ponto de fusão.
Na superfície da epiderme das plantas, as ceras podem ser facilmente encontradas, formando uma cutícula cerosa resistente à água. As ceras também incluem muitas estruturas moleculares, mas o componente predominante permanece alcanos, que são virtualmente indigestos, ou seja, não têm valor nutricional para as aves. As gorduras e os óleos, por outro lado, são componentes nutricionais vitais, pois contêm muito mais energia por unidade de volume do que o amido ou as proteínas. As gorduras geralmente podem ser encontradas em grandes quantidades nas sementes, ou seja, profundamente dentro do feto.
No caso de frutos de V. tinusA proximidade da estrutura globular com as sementes grandes e ricas em energia e com a cutícula externa cerosa torna a distinção entre cera e gorduras particularmente importante para compreender o significado funcional e a origem da estrutura. Portanto, é necessário determinar se os glóbulos lipídicos são cera indigerível ou gorduras e óleos nutritivos. Para isso, foi utilizada microscopia de luz. Seções de
tecido de V. tinus fetus foram incubadas com Nilo azul A (pigmento), que cora a região rica em glóbulos da parede celular de V. tinus de azul ou azul-violeta ( 3C) Isso sugere que os glóbulos são ácidos graxos livres, e não o polímero da cutina (um componente da membrana cuticular), que ficaria rosa ou vermelho.
Além disso, o padrão de difração de elétrons da estrutura globular de multicamadas mostra um padrão anular claro, que difere do diagrama da parede da célula de celulose com os dois anéis característicos de cristais de celulose. Este padrão indica que os corpos lipídicos são provavelmente cristalinos e, portanto, são lipídeos monoméricos homogêneos em vez de moléculas polimerizadas como a cutina.
Para confirmar que a estrutura mista observada da matriz de celulose e glóbulos lipídicos em camadas é responsável pela refletividade azul dos frutos de V. tinus, os cientistas modelaram sua resposta óptica. Para isso, os cientistas estudaram dois modelos matemáticos: uma matriz bidimensional de esferas e a média sobre um conjunto de multicamadas unidimensionais de duas fases.
Imagem # 4
Um algoritmo de engenharia reversa foi usado para modelar a estrutura no espaço bidimensional como uma série de aglomerados globulares. Os esquemas 4A - 4C correspondem ao espectro de refletância modelado adjacente. Este algoritmo permite que diferentes tipos de distúrbio sejam introduzidos independentemente na multicamada globular, ajustando o tamanho e a estrutura, ou seja, Transformada de Fourier da posição das partículas.
No processo de modelagem, o seguinte foi estudado: a resposta óptica dos glóbulos lipídicos em camadas com vários graus de variação no diâmetro do glóbulo ( 4A); distúrbio nos ângulos entre glóbulos adjacentes (parâmetro Sp, 4B ) e distúrbio na distância média entre glóbulos adjacentes (parâmetro Sk, 4C ).
A introdução de diferentes tipos de distúrbios ( 4A - 4C ) sempre teve o mesmo efeito na resposta óptica da multicamada globular, ou seja, uma diminuição na intensidade do pico.
Assim, em vez de considerar cada elemento de desordem separadamente, a estrutura e a composição do material da parede celular de V. tinus foram aproximadas por multicamadas unidimensionais desordenadas com índices de refração correspondentes à celulose (n = 1,55) e lipídeo vegetal típico (n = 1,47). A distribuição da espessura de ambos os materiais é mostrada em4D . E a refletividade, modelada usando médias sobre camadas 1D, é mostrada na Figura 4E .
A introdução da desordem observada nas medições de seção transversal no modelo de refletor ordenado coerente expande seu espectro de reflexão.
Se o modelo permitisse aos cientistas entender exatamente como as bagas de V. tinus adquirem sua cor, então a modelagem não cobre a necessidade de tal mecanismo.
A maior interação interespecífica em V. tinus está associada a pássaros que se alimentam dos frutos dessa planta incrível. Comparação com a sensibilidade espectral do tit ( 1D) mostra que a cor dos frutos está dentro da faixa visualmente significativa para as aves desta espécie.
As bagas, é claro, não flutuam no ar, mas estão presas aos galhos nos quais as folhas crescem - um fundo visual. O fundo é principalmente verde devido ao pigmento de clorofila dominante nas folhas. A clorofila possui uma ampla característica espectral com pico em 550 nm e pouca refletividade abaixo de 500 nm, o que confere à cor do fruto de V. tinus um contraste cromático com a folhagem. Em outras palavras, as bagas parecem ainda mais perceptíveis contra o fundo dessas folhas.
Considerando que os sinais visuais são frequentemente prioritários para as aves, a coloração estrutural dos lipídios das bagas de V. tinus pode servir como um forte sinal visual para aves famintas.
Considerando que a cor dos alimentos para pássaros pode ser o principal parâmetro de comestibilidade, a cor das bagas de V. tinus sinaliza que elas são comestíveis e nutritivas.
A relação entre a cor da fruta e seu valor nutricional foi estudada anteriormente. Segundo alguns relatos, as frutas escuras das plantas da região brasileira são ricas em carboidratos e as frutas escuras das plantas mediterrâneas são ricas em lipídios.
Os cientistas acreditam que, no caso do V. tinus, a cor azulada é um sinal de que as bagas são ricas em lipídios nutrientes, que, aliás, dão origem a essa cor.
Os cientistas chamam esse método de sinalização de "honesto" ou "direto" quando o contexto do sinal corresponde à sua fonte (cor azul devido aos lipídios - alto teor de lipídios). Esse método de sinalização é bastante caro, pois o uso da pigmentação clássica seria mais fácil para a planta. No entanto, o retorno que V. tinus obtém na forma de atrair a atenção de aves de diferentes espécies, aparentemente, supera essa desvantagem.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você leia o relatório dos cientistas .
Epílogo
A cor é um componente importante da informação visual que os organismos vivos recebem sobre o mundo ao seu redor. Muitos animais usam sua cor para camuflar, atrair companheiros ou assustar os inimigos. Algumas dessas táticas também estão presentes nas fábricas, mas a mais importante é a manutenção da comunicação interespecífica. No caso do V. tinus, os pássaros são os principais parceiros dessa planta, necessária para a disseminação de sementes por longas distâncias, o que aumenta significativamente o habitat de V. tinus e, portanto, as chances de sobrevivência da espécie.
O sabor dos frutos de muitas plantas depende de quanto elas desejam atrair a atenção de animais de várias espécies. Algumas frutas serão saborosas, por exemplo, para espécies específicas de pássaros, enquanto para todas as outras serão praticamente intragáveis. Em um sistema tão complexo como a comunicação interespecífica, um papel importante é desempenhado pelo grau de coevolução das espécies vegetais e animais que o formam.
A cor azul do louro de Viburnum reside em sua origem não padrão - nanoestruturas lipídicas contidas nas paredes das células epidérmicas das bagas de V. tinus . Este método de coloração (estrutural), especialmente devido aos lipídios, até agora foi encontrado entre as plantas apenas em V. tinus... Além disso, a coloração de lipídios pode dizer às aves sobre um alto teor de lipídios nas bagas, não importa o quão estranho pareça.
Sinais honestos, cuja origem corresponde ao seu contexto, são bastante raros na natureza. A explicação para essa raridade é bastante simples. Imagine que você possui uma padaria. Você deseja atrair mais clientes, por isso distribui panfletos. Portanto, o sinal tem um contexto (temos pães deliciosos), mas sua origem é diferente (não tenho pão, mas algo melhor é o desenho de um pão, ou seja, o panfleto é apenas um pedaço de papel). Se você distribuir pãezinhos, será um sinal honesto, mas muito mais caro.
Arquiteturas de lipídios anteriormente multicamadas, como bagas de V. tinusnão foram vistos no biomaterial. No passado, não existiam ferramentas e técnicas avançadas como agora, portanto, muitos detalhes foram registrados incorretamente ou foram completamente omitidos.
No futuro, os cientistas pretendem analisar outras plantas, que, em tese, também podem ter nanoestruturas lipídicas semelhantes e, portanto, um método não convencional de coloração de frutos. Além disso, os cientistas acreditam que sua pesquisa pode ajudar a criar corantes alimentares mais seguros.
Obrigado pela atenção, fiquem curiosos e tenham um ótimo final de semana galera! :)
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