Порой можно услышать фразу «больше — значит лучше». Но не всегда это соответствует действительности. Другими словами, не всегда «больше» соответствует балансу между желаемым результатом и затрачиваемыми на его достижение ресурсами. Именно потому в мире дикой природы эволюция чаще всего склоняется к варианту развития, основанному на многочисленности, а не на индивидуальных габаритах отдельной особи. Правда, бывают и исключения. Виктория амазонская (Victoria amazonica) считается крупнейшим водным растением в мире, огромные листья которой (до 3 м в диаметре) могут выдержать вес в 30 кг. С точки зрения инженерии такая биологическая система крайне любопытна, а потому ученые из Оксфордского университета (Великобритания) решили изучить структуру листа V. amazonica. Какова морфология листа, в чем секрет инженерного гения растения-гиганта, и как это открытие может помочь людям? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Виктория амазонская (Victoria amazonica), относящаяся к роду Виктория из семейства кувшинковые, как это понятно из названия произрастает в бассейне Амазонки в местах, где течение слабое.


Victoria amazonica

Корневая система растения достаточно крупная с множеством придаточных корней. Цветы V. amazonica, вырастающие до 40 см в диаметре, в естественной среде обитания начинают раскрываться с заходом солнца. Для полного же раскрытия может понадобиться порядка 48 часов.


Cyclocephala castanea

Любопытно то, что V. amazonica состоит в симбиотических отношениях с жуками Cyclocephala castanea. Все бутоны на одном участке начинают раскрываться одновременно, выделяя фруктовый запах. В этот момент лепестки цветков имеют беловатый окрас, что привлекает внимание жуков, как и сам запах цветка. С наступлением ночи цветок закрывается, а жук оказывается в ловушке внутри придатков плодолистика внутри цветка. В течение следующего дня цветок остается закрытым. Полость, где жук находится в непредвиденном для него заточении, состоит из губчатой ​​крахмалистой ткани, обеспечивающей его провиантом.

Пока жук находится внутри цветка, растение начинает выделять антоцианы, что, в свою очередь, меняет цвет лепестков с белого на красновато-розовый. Это является признаком того, что цветок опыляется. По мере того как жук поедает губчатую ткань, тычинки падают внутрь, а уже опустившиеся пыльники осыпают тычинки пыльцой.


Цветок V. amazonica в процессе опыления: A — цветок на второй день (диаметр раскрытых лепестков около 25-30 см), внутренние лепестки которого начинают менять цвет с белого на красный; B — цветок в первый вечер с закрытыми белыми лепестками, к которому приближается жук-опылитель Cyclocephala hardyi; C — срез цветка, показывающий полость для опыления с жуком внутри; D — цветок на второй вечер с раскрытыми лепестками и жуками, покрытыми пыльцой.

К вечеру второго дня цветок раскрывается, давая жуку возможность выбраться наружу. Когда жук проползает к образовавшемуся просвету, пыльца прилипает к его панцирю. Затем этот же жук отправляется на поиски другого раскрытого цветка (белого, конечно) и опыляет его пыльцой из предыдущего цветка.

Самая выдающаяся часть V. amazonica это ее листья, которые располагаются на поверхности воды, имеют дискообразную форму и достигают в диаметре до 3 метров.


Изображение №1

Можно заметить, что структура листа состоит из множества перепонок, утолщающихся к его центру. Кроме того на краях листа имеются небольшие зазоры, через которые с его поверхности может уходить лишняя вода.

Также на нижней стороне листа, скрытой под водой, имеется множество шипов (1Е), которые играют как оборонительную, так и атакующую роль. В первом случае растение защищает себя от различных травоядных водных существ. А во втором шипы помогают повреждать соседствующие растения в борьбе за место под солнцем (буквально). Любопытно и то, что молодые V. amazonica, пока не имеющие своего гигантского листа, размахивают своими колючими стеблями и бутонами, когда растут, чтобы освободить место для его роста.

Демонстрация процесса очистки поверхности воды от конкурентов.

Как уже было сказано ранее, листья Виктории амазонской могут достигать в диаметре 3 метров и выдерживать вес в 30, а порой и 50 кг.

Ученые без доли сомнения заявляют, что листья Виктории амазонской это настоящее чудо естественной инженерии. Не удивительно, что васкулярная система листа (которую видно на его нижней стороне) стала вдохновением для Джозефа Пакстона, создавшего в последствии Хрустальный дворец в Лондоне.


Хрустальный дворец был построен в лондонском Гайд-парке в 1851 году, но, к несчастью, сгорел в 1936.

Однако, несмотря на свою популярность среди ботаников всего мира, спустя 200 лет с момента открытия V. amazonica мало что известно о структурных свойствах гигантских плавающих листьев. Посему авторы рассматриваемого нами сегодня труда решили изучить механическую функциональность, присущую геометрической форме листьев гигантской амазонской кувшинки.

Гигантские амазонские кувшинки производят круглые щитковидные листья, как и большинство кувшинок, но адаптивное значение их чрезвычайного размера (1A), уникального для рода Victoria и, в меньшей степени, родственного им рода Euryale (1F), неясно. Естественный отбор обычно отдает предпочтение формам листьев, которые максимизируют отношение чистого фотосинтеза к потере воды за счет транспирации*, а размер ограничивается прочностью. Хотя наводная жизнь сводит на нет риск потери воды и физически поддерживает большие листовые пластинки (за счет плавучести), гигантские круглые листья не встречаются у других кувшинок или других водных организмов в царстве растений.

Транспирация* — процесс движения воды через растение и ее испарение через наружные органы растения, такие как листья, стебли и цветки.

Прочность — не единственное ограничение размера листа. Польза от световой энергии, поглощаемой листом, уравновешивается затратами (в энергетическом выражении), необходимыми для его «строительства» и поддержания. Растения с плавающими листьями, как правило, имеют гораздо меньшую биомассу, чем наземные, из-за высокого оборота листьев: старые листья, покрытые новообразованными, погружаются в воду и теряют свою функцию фотосинтетического аппарата.

Это говорит о том, что уникальная форма амазонской кувшинки могла развиться как естественное инженерное решение, которое способствовало как сохранению низкой биомассы листьев, так и сохранению большой площади поверхности, доступной для фотосинтеза.

Сверху гигантские листья амазонской кувшинки напоминают плавающие диски с загнутыми вверх краями. Однако нижняя сторона листа покрыта фрактальной сетью ветвящихся жилок, которые обеспечивают структурную поддержку листовой пластины. Балкообразные жилки расходятся от черешкового (листового стебля) прикрепления и рассекаются более мелкими жилками (анастомозами) под прямым углом (1B). Листовая пластинка, будучи относительно тонкой для такого большого листа (около 1 мм), обеспечивает большую площадь поверхности для фотосинтеза и содержит небольшие цилиндрические поры (устьица*; 1D), которые вместе с пазухами функционируют как сток дождевой воды.

Устьице* — высокоспециализированное образование эпидермиса растений, состоящее из двух замыкающих клеток и устьичной щели (называемой апертурой) между ними, через которую осуществляется газообмен и транспирация.

На краю листа вздернутый край содержит две диаметрально противоположные пазухи в срединной плоскости (1B и 1C). Морфология этих отличительных черт на краю листа была приписана механике. Тонкая упругая пластина, которая растет в неоднородном поле деформации, может образовать на своем краю неплоскую складку (из-за накопленного радиального напряжения), которая очень напоминает перевернутый край листа.


Нижняя сторона листа Виктории амазонской.

В своем исследовании ученые решили сконцентрировать свое внимание на том, как сосудистая архитектура отличает гигантские листья V. amazonica от более мелких листьев других видов.

Результаты исследования

Под действием приложенной силы листья деформируются вниз и вытесняют воду, что создает восстанавливающую силу плавучести. Во всех случаях измеренное смещение оказалось пропорциональным приложенной силе F (2А).


Изображение №2

Константа пропорциональности представляет собой эффективную жесткость, сочетающую в себе сопротивление листа изгибу и выталкивающее действие подстилающей жидкости, т.е. F = Kδ, когда K_Victoria = 690.8 ± 17.3 Н/м; K_{N. cultivar} = 30.7 ± 1.0 Н/м и K_{N. lotus} = 18.5 ± 0.7 Н/м. Сравнение показывает, что Victoria на несколько порядков жестче, чем Nymphaea, которые напоминают почти плоские диски. Это ожидаемо, потому что толщина выступающей сосудистой сети у Victoria намного больше, чем у Nymphaea.

Однако, несмотря на то, что профиль толщины сосудистой сети Victoria варьируется в зависимости от расстояния от черешка (2B), отношение максимальной толщины сосудистой сети к толщине пластинки составляет max(h_vein)/h_lamina ∼ 50 для Victoria и только ∼2.7 для Nymphaea. Это означает, что листья более мелких видов кувшинок больше напоминают плоские диски, в то время как листья Victoria имеют ярко выраженную сосудистую архитектуру. Следовательно, это может быть подтверждением теории о том, что форма листа Victoria распределяет материал структурно эффективным образом, что обеспечивает гигантские размеры листа.

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые провели сравнение эмпирических данных для листьев Victoria с моделями листьев того же размера (т. е. одинакового объема и радиальной протяженности), но с разными профилями толщины.

Первым делом был рассмотрен вариант, представляющий собой плавающий эластичный лист одинаковой по всей площади толщины. А затем были созданы модели с неоднородной сосудистой архитектурой (3A-3C).


Изображение №3

Для плавучего эластичного листа однородной толщины сочетание изгибающих напряжений в листе, вызванных вдавливанием, и восстанавливающей силы плавучести приводит к линейной зависимости между силой и смещением: F = K_diskδ для δ < t_disk при коэффициенте жесткости K_disk = 8(Bρg)^1/2, где ρ — плотность воды, g – гравитационная постоянная, а изгибная жесткость листа B = Et³_disk / [12(1 — ????²)] зависит от свойств материала (E — модуль Юнга, ???? — коэффициент Пуассона) и толщины листа (t_disk).

Объем и радиус листьев V. cruziana составили V ≈ 2500 см³ и R = 41 см. Следовательно, круглый диск такого же объема имел бы толщину t_disk = V/(πR²) = 0.47 см. Это дает коэффициент жесткости K_disk = 8(Bρg)^1/2 = либо 66.6, либо 141.4 Н/м (отмечено розовым на 3D и 3E) в зависимости от того, какой показатель модуля Юнга используется: сосудистая сеть (Esub>vein = 0.6 МПа) или листовой пластины (E_lamina = 2.7 МПа).

Таким образом, измеренный коэффициент жесткости V. cruziana K_Victoria значительно больше, чем у плавающего диска однородной толщины: K_Victoria / K_disk ≈ от 5 до 10.

Чтобы лучше понять, почему лист Виктории амазонской жестче, чем листья других видов кувшинки или тонкого диска того же объема, диаметра и модуля упругости, ученые решили изучить неоднородную сосудистую сеть, которая покрывает нижнюю сторону листа.

Жилкование листьев Виктории амазонской выделяется характерным рисунком многочисленных боковых первичных или вторичных ветвей, расходящихся от черешкового прикрепления. Рисунок жилкования, который является выраженно актинодромным (круговым) и слабо брохидодромным (петлеобразным), уникален для Victoria и родственного ей рода Euryale, которые имеют листья в 10 раз крупнее своих сородичей (1F).

Как и во всех листьях, система жилок также служит транспортной сетью для воды и питательных веществ. Транспортные сети часто имеют иерархическую форму. В случае Victoria петли, образованные круговыми анастомозами, поддерживают связь по всей листовой пластинке, позволяя жидкости обходить любое место повреждения.

Ученые отмечают, что хоть морфология транспортной сети на листьях наземных и водных растений и имеет общее предназначение, поддержка нижележащей воды однозначно влияет на морфогенез листьев водных плавающих растений. Необычный рисунок радиальных жилок и круговых анастомозов может быть результатом адаптации в попытках удовлетворить сразу два требования: оптимальный транспорт и поддержание прочности листа, учитывая его габариты.

Система жилкования V. cruziana состоит из восьми основных жилок, отходящих радиально от черешка. У всех жилок имеются ответвления: две ветви, составляющие центральную среднюю жилку, разветвляются, а другие — раздваиваются, что приводит к иерархической, фракталоподобной сети (1В).

Вертикальная толщина основных радиальных жилок линейно уменьшается с радиальным расстоянием от центра (2B). Ширина ветвей (около 1 см) также уменьшается с радиальным расстоянием, но гораздо менее значительно. Таким образом, при больших радиальных расстояниях жесткость конструкции обеспечивается за счет большого количества более тонких ветвей.

Длина дуги, разделяющей радиальные жилки (λ = rθ, где r — радиальное расстояние от черешка, θ — угол между первичными жилками), составила 3.93 ± 0.54 см и была относительно постоянной.

Любопытно, что ни основные ветви, ни вторичные анастомозы не являются жесткими. Они достаточно гибкие, что позволяет листу выдерживать приложенные нагрузки за счет упругой деформации.

Чтобы проверить эффект жесткости сосудистой сети V. cruziana, ученые провели моделирование, в котором сравнили механические свойства плавающих дисков одинакового объема и радиуса и модели с неоднородной толщиной. Одним из вариантов модели представлял собой осесимметричный диск с толщиной, линейно уменьшающейся от центра к краю (оранжевая область на 3D и 3E).

Профиль линейной толщины увеличивает механическую жесткость плавающего диска (по сравнению с диском одинаковой толщины), но занижает измеренную жесткость листьев гигантской амазонской кувшинки. Потому была создана более точная модель листа V. cruziana (3A-3C) путем объединения тонкой дискообразной пластинки одинаковой толщины и сосудистой архитектуры с неоднородной толщиной. Дабы модель была действительно точной, необходимо было придерживаться ряда правил:

• толщина линейно уменьшается от центра листа к краю;
• длина между последовательными точками бифуркации (разветвления) и угол между бифуркационными жилками остается фиксированным;
• в первом ответвлении ширина жилок больше, а затем уменьшается с каждым последующим ответвлением;
• вторичные орторадиальные жилки фиксированной ширины и толщины, разделенные постоянным радиальным расстоянием, соединяющие первичные жилки.

На 3D (черная линия) показано соответствие моделирования и реального листа Виктории амазонской.

Моделирование позволило ученым прийти к выводу, что форма сосудистой архитектуры распределяет материал структурно эффективным образом, обеспечивая большую жесткость для данного объема листа.

Другими словами, разветвленная сосудистая сеть выполняет биологическую функцию обеспечения большей площади поверхности для фотосинтеза с меньшей биомассой.

Однако одна только разветвленная сосудистая сеть не объясняет измеренную жесткость листьев (зеленая область на 3D). Важную роль играет как жесткость на изгиб неоднородной сосудистой сети, так и восстанавливающее давление плавучести, возникающее из-за вытеснения воды деформирующей пластинкой листа.

На заключительном этапе исследования ученые решили использовать архитектуру сосудистой системы Виктории амазонской в качестве основы для создания несущих платформ, которые можно применять, к примеру, в строительстве.


Изображение №4

Ученые использовали две пластины (напечатанные на 3D-принтере), на которые помещался груз определенной массы. Одна пластина была плоской и имела однородную толщину, а вторая была оснащена аналогом сосудистой системы листа гигантской кувшинки (4A). Закрепив платформы на одном конце и расположив груз на другом, можно было систематически проверять устойчивость этих конструкций к деформации.

Тесты показали, что второй вариант отклонялся гораздо меньше, чем пластина с однородной толщиной, даже при значительно больших нагрузках (4В). Затем были получены профили прогиба, измеренные относительно первоначально плоского недеформированного положения. Результаты (4C) демонстрируют, что повышенная жесткость не локализована в небольшой области вокруг самой толстой части сосудистой сети, а передается через разветвленную сеть к кончику структуры. Другими словами, нагрузка распределяется, что и обеспечивает большую устойчивость пластины с сосудистой архитектурой, как у листа V. cruziana.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В данном труде ученые решили выяснить, за счет чего гигантские листья Виктории амазонской, способные вырастать до 3 м в диаметре, сохраняют свою целостность при высоких нагрузках. Как оказалось, несмотря на свои габариты, листья V. cruziana достаточно тонкие. Можно было бы предположить, что это недостаток, если бы нижняя сторона листа не была усеяна множеством разветвленных жилок, толщина и ширина которых уменьшается при отдалении от центра. Эти жилки служат укрепляющими «балками», за счет чего нагрузка, приложенная к листу, равномерно распределяется по всей площади. Такая архитектура и позволяет листьям V. cruziana вырастать до внушительных размеров, что позволяет растению получать куда больше солнечной энергии, чем конкурирующие растения. Также ученые показали, что подобную сосудистую архитектуру можно применять, скажем, в строительстве для создания тонких, но крайне прочных платформ.

Представители ученого света и мира искусства порой разительно отличаются в своих суждениях и взглядах на окружающий мир. Но, сколько бы ни было отличий, общим всегда остается природа — идеальный источник вдохновения для обеих сторон.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?