¿Con qué asocias el verano? Para algunos, este es un período de unas vacaciones muy esperadas, para alguien, unas vacaciones, y para alguien, calor, congestión e incomodidad. Si consideramos el verano desde el punto de vista de la gastronomía, entonces este es el período de las verduras, frutas y bayas, que amamos no solo por su sabor y beneficios, sino también por su apariencia. Como sabemos por el curso inicial de biología, los frutos de muchas plantas tienen ciertas propiedades, cuyo propósito es atraer a un potencial gourmet. Este es un componente importante de las tácticas de expansión del área de cultivo. La gran mayoría de frutos tienen un color brillante y jugoso, lo que indica su bondad. La principal fuente de este o aquel color en las bayas son los pigmentos de la piel, pero esta no es la única técnica de teñido. Científicos de la Universidad de Bristol han descubierto que el laurel viburnum ( Viburnum tinus) utiliza nanoestructuras lipídicas en las paredes celulares para colorear sus bayas, una variante de coloración estructural previamente desconocida. ¿Qué tienen de inusual estas nanoestructuras lipídicas que dan a las bayas un color azul oscuro, y cuál es la aplicación práctica de este descubrimiento? El informe de los científicos arrojará luz sobre estas cuestiones. Vamos.
Resultados de la investigacion
El protagonista de esta obra es el laurel viburnum ( Viburnum tinus / viburnum tinus), un arbusto o árbol de hoja perenne de hasta 6 metros de altura que crece en la región mediterránea.
Viburnum tinus durante la floración.
Viburnum tinus da frutos varias veces al año con bayas de color azul oscuro, lo que proporciona alimento a muchas especies de aves, incluida la curruca cabeza negra (Sylvia atricapilla) y el petirrojo (Erithacus rubecula). Al igual que con cualquier otra planta de bayas, las aves para V. tinus viburnum son el método principal para esparcir semillas a nuevos territorios.
Sylvia atricapilla (izquierda) y Erithacus rubecula (derecha).
A primera vista, esta planta no tiene nada de especial. Un hermoso arbusto de hoja perenne que deleita a los estetas entre la gente y a los gourmets entre las aves. Sin embargo, un examen detallado de las bayas sugiere lo contrario. Mientras que otras plantas usan diferentes compuestos químicos para colorear sus frutos, viburnum tinus usa colorantes estructurales. Aunque anteriormente se creía que el color azul de las bayas de V. tinus es causado por la presencia de pigmentos de antocianina en su piel, esto naturalmente no es cierto.
Los colores estructurales son bastante comunes entre la fauna: alas de mariposa, conchas de escarabajos, plumas de pavo real, etc. El color en su caso se forma debido a las características estructurales a nanoescala de la superficie, que provocan interferencia con la luz visible.
Ejemplos de colores estructurales en la naturaleza: A- hibisco triangular (Hibiscus trionum); B - escarabajo tamamusi (Chrysochroa fulgidissima); C - mariposa de la especie Morpho rhetenor; D - mosquito común (Culex pipiens); E - ratón marino (Aphrodita aculeata); F - escarabajo de la especie Pachyrhynchus argus; G - una mariposa de la especie Parides sesostris.
La peculiaridad de Viburnum Tinus, que atrajo la atención de los científicos, es que no solo demuestra un nuevo mecanismo de tinción estructural, sino que también es una de las pocas plantas capaces de hacerlo.
Imagen No. 1
Frutos de V. tinus ( 1C) reflejan la luz direccionalmente (dándole una apariencia metálica) en las regiones azul y ultravioleta del espectro. La polarización de la luz reflejada se retiene en gran medida, lo que indica que la coloración es estructural y no pigmentada, como resultado de la reflexión de la pared celular altamente estructurada del epicarpio externo * ( 2A ).
El epicarpio * es la capa externa del feto.Cuando se diseca este tejido, se libera un pigmento de antocianina rojo oscuro. La luz que no es reflejada por la estructura fotónica es absorbida por el pigmento rojo oscuro debajo de ella ( 2A y 3C ).
Imagen # 2
Esta absorción evita la retrodispersión de la luz, aumentando la visibilidad del reflejo azul de la pared exterior de la celda y mejorando visualmente la coloración azul.
A partir de estas observaciones, ya se puede concluir que el color de los frutos de V. tinus es el resultado de una combinación de una nanoestructura física que refleja selectivamente las ondas de luz azul y una capa base de pigmentos que realzan el azul. En otras palabras, la conjunción de la química y la física.
Caracterizar las nanoestructuras que crean el color azul en frutasV. tinus , los científicos han utilizado varios métodos de microscopía electrónica.
La microscopía electrónica de barrido de tejido fresco ( 2A ) muestra claramente la presencia de una estructura multicapa gruesa (10-30 µm) paralela a la superficie fetal e incrustada en la pared celular de las células epicarpianas más externas. La superficie de la fruta está cubierta por una cutícula cerosa (2-6 µm) sobre una estructura en capas. La arquitectura en capas ocupa la mayor parte de la pared celular exterior en el área entre la cutícula y la pared celular primaria rica en celulosa. Las capas tienen un espesor de 30 a 200 nm y cubren toda la celda.
La microscopía electrónica de transmisión muestra que esta arquitectura consta de muchas capas de pequeñas burbujas, que difieren de la matriz en la capacidad de dispersión de electrones y el índice de refracción.
Imagen # 3 Las
imágenes de microscopía de barrido y transmisión muestran que la matriz parece contener componentes clave de las paredes celulares típicas de las plantas, a saber, celulosa, hemicelulosa y pectina. La tinción con rojo rutenio ( 3D ) muestra un contenido significativo de pectina, y un patrón de difracción de electrones demuestra la presencia de celulosa en los anillos de difracción característicos de un cristal de celulosa natural.
Cabe señalar que las capas contrastantes son discretas y permanecen distintas entre sí, pero las capas adyacentes no paralelas y la irregularidad de su estructura globular introducen un desorden significativo.
Las imágenes de la pared celular epidérmica ( 2E ) muestran que estas vesículas globulares están organizadas en capas combinadas a través de las cuales la matriz de la pared celular de celulosa permanece conectada por puentes y filamentos ( 2B y video a continuación).
Modelo de estructura globular multicapa (corresponde a imagen 2D ).
De esto se deduce que la estructura globular de múltiples capas de la epidermis de los frutos de V. tinus consiste en lípidos incrustados en la matriz de la pared celular utilizando varios métodos.
A continuación, se expusieron rodajas ultrafinas de la epidermis de la fruta al cloroformo. Este análisis es muy indicativo, ya que la solubilidad en disolventes orgánicos apolares es una clara indicación de la presencia de lípidos.
Imágenes TEM de la misma área de muestra antes ( 3A ) y después ( 3Ba) la exposición al cloroformo indica que la estructura globular ha sido eliminada por tratamiento. En la última imagen, el contraste de la fase globular multicapa se reduce, mientras que las estructuras vacías dentro de la matriz permanecen visibles. En comparación, la exposición al agua no alteró la ultraestructura o el contraste de la imagen del laminado globular, lo que indica que el material solo se puede extraer con solventes no polares. Además, cuando los científicos utilizaron tetróxido de osmio tamponado con imidazol (C 3 H 4 N 2 / OsO 4 ), que se une a los lípidos, en el proceso de fijación química , las capas globulares se tiñeron, lo que confirma su naturaleza lipídica.
Y cuando se utilizó rojo de rutenio, que se une a la pectina, se tiñó la matriz de la pared celular, mientras que se eliminó la estructura globular debido a la ausencia de tampón de imidazol.
Durante todas las variaciones de tinción aplicadas durante el estudio, se observaron contornos oscuros alrededor de los glóbulos ( 3E ). Según los científicos, esto puede indicar la presencia de una membrana lipídica, teóricamente necesaria en la interfaz entre las moléculas hidrófobas y los polisacáridos hidrófilos de la pared celular secundaria.
Los científicos nos recuerdan que los lípidos están compuestos de una variedad de estructuras moleculares, generalmente clasificadas como ceras, grasas y aceites, según su punto de fusión.
En la superficie de la epidermis de las plantas, se pueden encontrar ceras fácilmente, formando una cutícula cerosa impermeable. Las ceras también incluyen muchas estructuras moleculares, pero el componente predominante sigue siendo alcanos, que son prácticamente indigeribles, es decir. no tienen valor nutricional para las aves. Las grasas y los aceites, por otro lado, son componentes nutricionales vitales, ya que contienen mucha más energía por unidad de volumen que el almidón o las proteínas. Las grasas generalmente se pueden encontrar en grandes cantidades en semillas, es decir, muy dentro del feto.
En el caso de V. tinus frutosLa proximidad de la estructura globular a las semillas grandes y ricas en energía y a la cutícula exterior cerosa hace que la distinción entre cera y grasas sea particularmente importante para comprender el significado funcional y el origen de la estructura. Por lo tanto, es necesario determinar si los glóbulos de lípidos son ceras no digeribles o grasas y aceites nutritivos. Para ello, se utilizó microscopía óptica. Se incubaron secciones de
tejido de V. tinus fetus con azul Nilo A (pigmento), que tiñe la región rica en glóbulos de la pared celular de V. tinus de azul o azul violeta ( 3C). Esto sugiere que los glóbulos son ácidos grasos libres y no el polímero de cutina (un componente de la membrana cuticular), que se volvería rosa o rojo.
Además, el patrón de difracción de electrones de la estructura globular multicapa muestra un patrón anular distinto, que difiere del diagrama de la pared celular de celulosa con los característicos dos anillos de cristales de celulosa. Este patrón indica que los cuerpos lipídicos son probablemente cristalinos y, por lo tanto, son lípidos monoméricos homogéneos en lugar de moléculas polimerizadas como la cutina.
Confirmar que la estructura mixta observada de matriz de celulosa y glóbulos de lípidos en capas es responsable de la reflectividad azul de los frutos de V. tinus, los científicos han modelado su respuesta óptica. Para ello, los científicos estudiaron dos modelos matemáticos: una matriz bidimensional de esferas y un promedio sobre un conjunto de multicapas unidimensionales de dos fases.
Imagen # 4
Se utilizó un algoritmo de ingeniería inversa para modelar la estructura en un espacio bidimensional como una serie de cúmulos globulares. Los esquemas 4A - 4C corresponden al espectro de reflectancia modelado adyacente. Este algoritmo le permite introducir de forma independiente diferentes tipos de desorden en una multicapa globular ajustando el tamaño y la estructura, es decir, Transformada de Fourier de la posición de las partículas.
En el proceso de modelado, se estudió lo siguiente: la respuesta óptica de glóbulos lipídicos en capas con diversos grados de variación en el diámetro del glóbulo ( 4A); desorden en los ángulos entre glóbulos adyacentes (parámetro Sp, 4B ) y desorden en la distancia promedio entre glóbulos adyacentes (parámetro Sk, 4C ).
La introducción de diferentes tipos de trastornos ( 4A - 4C ) siempre tuvo el mismo efecto sobre la respuesta óptica de la multicapa globular, es decir, una disminución de la intensidad máxima.
Por lo tanto, en lugar de considerar cada elemento del trastorno por separado, la estructura y la composición del material de la pared celular de V. tinus se aproximaron mediante multicapas unidimensionales desordenadas con índices de refracción correspondientes a celulosa (n = 1,55) y lípidos vegetales típicos (n = 1,47). La distribución de espesores de ambos materiales se muestra en4D . Y la reflectividad, modelada usando promedios sobre capas 1D, se muestra en la Figura 4E .
La introducción del desorden observado en las mediciones de la sección transversal en el modelo reflector ordenado coherente amplía su espectro de reflexión.
Si el modelo permitió a los científicos comprender exactamente cómo las bayas de V. tinus obtienen su color, entonces el modelado no cubre la necesidad de tal mecanismo.
La mayor interacción interespecífica en V. tinus está asociada con las aves que se alimentan de las bayas de esta asombrosa planta. Comparación con la sensibilidad espectral del tit ( 1D) muestra que el color de las bayas está dentro del rango visualmente significativo para las aves de esta especie.
Las bayas, por supuesto, no flotan en el aire, sino que están unidas a las ramas en las que crecen las hojas, un fondo visual. El fondo es mayormente verde debido al pigmento de clorofila dominante en las hojas. La clorofila tiene una característica espectral amplia con un pico a 550 nm y poca reflectividad por debajo de 500 nm, lo que le da al color de los frutos de V. tinus un contraste cromático con el follaje. En otras palabras, las bayas se ven aún más notables en el contexto de tales hojas.
Teniendo en cuenta que las señales visuales para las aves son a menudo una prioridad, la coloración estructural lipídica de las bayas de V. tinus puede servir como una fuerte señal visual para las aves hambrientas.
Teniendo en cuenta que el color de la comida para las aves puede ser el parámetro principal de comestibilidad, el color de las bayas de V. tinus indica que son comestibles y nutritivas.
La relación entre el color de la fruta y su valor nutricional se ha estudiado anteriormente. Según algunos informes, los frutos negros de plantas de la región brasileña son ricos en carbohidratos y los frutos negros de plantas mediterráneas son ricos en lípidos.
Los científicos creen que en el caso de V. tinus, el color azul es una señal de que las bayas son ricas en lípidos nutrientes que, por cierto, crean este color.
Los científicos llaman a este método de señalización "honesto" o "directo" cuando el contexto de la señal coincide con su fuente (color azul debido a los lípidos - alto contenido de lípidos). Este método de señalización es bastante caro, porque el uso de la pigmentación clásica sería más fácil para la planta. Sin embargo, el retorno que recibe V. tinus en forma de atraer la atención de aves de diferentes especies, aparentemente, supera esta deficiencia.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, le recomiendo que consulte el informe de los científicos .
Epílogo
El color es un componente importante de la información visual que reciben los organismos vivos sobre el mundo que los rodea. Muchos animales usan su color para camuflarse, atraer parejas o ahuyentar a los enemigos. Algunas de estas tácticas también están presentes en las plantas, pero la más importante es el mantenimiento de la comunicación interespecífica. En el caso de V. tinus, las aves son los principales socios de esta planta, necesaria para esparcir semillas a grandes distancias, lo que aumenta significativamente el hábitat de V. tinus y, por tanto, las posibilidades de supervivencia de la especie.
El sabor de los frutos de muchas plantas depende de cuánto quieran atraer la atención de animales de diversas especies. Algunas frutas serán sabrosas, por ejemplo, para especies específicas de aves, mientras que para todas las demás serán prácticamente incomibles. En un sistema tan complejo como la comunicación interespecífica, el grado de coevolución de las especies vegetales y animales que lo forman juega un papel importante.
El color azul de Viburnum laurel radica en su origen no estándar: nanoestructuras lipídicas contenidas en las paredes de las células epidérmicas de las bayas de V. tinus . Este método de tinción (estructural), especialmente debido a los lípidos, se ha encontrado hasta ahora entre plantas solo en V. tinus.... Además, la tinción de lípidos puede informar a las aves sobre un alto contenido de lípidos en las bayas, sin importar lo extraño que suene.
Las señales honestas, cuyo origen coincide con su contexto, son bastante raras por naturaleza. La explicación de esta rareza es bastante simple. Imagina que tienes una panadería. Quiere atraer a más clientes, por lo que distribuye folletos. Por lo tanto, la señal tiene un contexto (tenemos deliciosos bollos), pero su origen es diferente (no tengo un bollo, pero algo mejor es un dibujo de un bollo, es decir, el volante es solo una hoja de papel). Si reparte bollos, será una señal honesta, pero mucho más cara.
Arquitecturas de lípidos previamente multicapa como las bayas de V. tinusno se vieron en biomaterial. En el pasado, no existían herramientas y técnicas tan avanzadas como ahora, por lo tanto, muchos detalles se registraron incorrectamente o se pasaron por alto por completo.
En el futuro, los científicos pretenden analizar otras plantas que, en teoría, también pueden tener nanoestructuras lipídicas similares y, por lo tanto, un método no convencional de coloración de frutas. Además, los científicos creen que su investigación podría contribuir a colores alimentarios más seguros.
Gracias por su atención, ¡tengan curiosidad y tengan un gran fin de semana, chicos! :)
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