Chamäleons ändern ihre Farbe, Lotusblätter bleiben feucht...es stellt sich heraus, dass sie alle in der Natur „molekulare Fabriken“ sind

Wie ändert der Meister der Verkleidung, das Chamäleon, seine Farbe? Warum können Lotusblätter vermeiden, nass zu werden? Wie dringen Viren so gezielt in Zellen ein? …

In der weiten Natur gibt es überall unglaubliche Wunder. Welche wissenschaftlichen Prinzipien stecken hinter diesen Phänomenen? Was sind diese einzigartigen Überlebensstrategien und genialen Strukturdesigns? Dies lässt uns über den magischen Charme der molekularen Fertigung in der Natur seufzen. Dieser Artikel erläutert die Grundlagen und Konzepte der molekularen Fertigung und verwendet dabei drei typische Fälle von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen als Leitfaden, um die Wunder der molekularen Fertigung in der Natur zu erforschen und zu nutzen, um wissenschaftlichen und technologischen Innovationen besser zu dienen und die Entwicklung einer neuen Qualitätsproduktivität zu ermöglichen.

1. Moleküle: Die Grundlage der molekularen Fertigung

Der berühmte italienische Chemiker Avogadro veröffentlichte 1811 die Molekulartheorie und entwickelte das Konzept des Moleküls: Ein Molekül ist das kleinste Teilchen, das unabhängig als einzelne Substanz oder Verbindung in einem freien Zustand existieren kann. Moleküle bestehen aus Atomen. Elementmoleküle bestehen aus Atomen desselben Elements, und zusammengesetzte Moleküle bestehen aus Atomen verschiedener Elemente. Moleküle sind als Grundbausteine ​​der Materie die Grundlage unseres Überlebens. Durch komplexe Interaktionen konstruieren sie gemeinsam unsere physische Welt.

Die molekulare Fertigung als Technologie zur Induktion, Einmischung und Kontrolle chemischer Reaktionen von Molekülen im Nanomaßstab sowie der Assemblierungs- und Selbstassemblierungsprozesse molekularer Wechselwirkungen ist nicht nur eine hochmoderne wissenschaftliche Technologie, sondern auch ein Wunder der Natur auf mikroskopischer Ebene, das unserer Erforschung und Analyse würdig ist.

2. Chamäleon, der Meister der Tarnung in der Tierwelt: ein Wunderwerk dynamischer Moleküle

Jeder weiß, dass viele Tiere ihre Farbe ändern können, aber das Chamäleon verfügt über die beste Tarnfähigkeit. Es kann je nach Umgebung fünf oder sechs Körperfarben ändern, um Angriffen zu entgehen. Es ist ein wohlverdienter „Meister der Tarnung“. Da die Haut von Chamäleons eine Vielzahl von Pigmentzellen enthält, können diese Zellen unter dem Einfluss von Umweltfaktoren wie Licht und Temperatur ihre Hautfarbe verändern, indem sie sich zusammenziehen oder ausdehnen.

Noch erstaunlicher ist, dass die Haut von Chamäleons einen besonderen Zelltyp enthält – Iridophoren. Diese können die Brechung und Reflexion des Lichts regulieren, indem sie die Struktur von Nanokristallen verändern und so komplexere Farbänderungen erreichen.

Wenn Chamäleons sich in unterschiedlichen Umgebungen oder emotionalen Zuständen befinden, arbeiten die Pigmentzellen und Iridozyten in ihrer Haut zusammen, um durch präzise molekulare Regulierungsmechanismen schnelle Farbänderungen zu erreichen. Dieser dynamische molekulare Herstellungsprozess ist nicht nur erstaunlich, sondern bietet auch wichtige Inspirationen für die Erforschung von Farbregulierungsmechanismen und die Entwicklung neuer Displaymaterialien.

3. Das Geheimnis der Lotusblätter, die nicht nass werden: Molekulare Herstellung von Nanostrukturen

Wenn wir die Schönheit einer Lotusblume bewundern, sehen wir oft ein interessantes Bild: Die auf den Lotusblättern verbleibenden Wassertropfen durchnässen die Lotusblätter nicht nur nicht, sondern rollen auch frei auf den Lotusblättern, als ob die Oberfläche der Lotusblätter mit einem unsichtbaren Film bedeckt wäre. Wenn der Wind die Lotusblätter hin und her bewegt, gleiten die Wassertropfen nach unten und lösen die Erde aus den Lotusblättern. Es ist einfach magisch!

Wissenschaftler haben dieses Phänomen eingehend erforscht. Im Jahr 1997 entdeckte der deutsche Botaniker Wilhelm Barthlott den Mechanismus, der dafür sorgt, dass Lotusblätter nicht nass werden. Unter einem Hochleistungselektronenmikroskop können wir erkennen, dass die Oberfläche des Lotusblattes mit vielen winzigen Papillen in sehr kleinen Abständen bedeckt ist und dass sich zwischen den Papillen viele konkave Teile befinden. Wenn diese konkaven Teile mit Luft gefüllt werden, bildet sich nahe der Blattoberfläche eine dünne Luftschicht im Nanomaßstab. Diese nanometergroße Mikrostruktur verleiht dem Lotusblatt eine doppelt abweisende Wirkung, das heißt, es wird weder von Wasser noch von Öl angezogen. Gleichzeitig werden die Papillen mit einer Schicht aus wachsartiger Substanz (Wachsstiften) überzogen, die Wasser abweist und so die Wasserfestigkeit des Lotusblattes weiter verbessert.

Diese Eigenschaft der Lotusblätter hat die menschliche Forschung und Anwendung im Bereich wasserdichter Materialien und selbstreinigender Oberflächen stark inspiriert. Durch die Nachahmung der Nanostruktur der Lotusblattoberfläche haben Wissenschaftler eine Vielzahl leistungsstarker wasserdichter und schmutzabweisender Materialien entwickelt und so den Fortschritt der Materialwissenschaft vorangetrieben.

4. Der Prozess der Virusinvasion in Zellen: Präzise Herstellung der molekularen Erkennung

Da es sich bei Viren um einen der kleinsten Organismen in der Natur handelt, steckt im Prozess des Eindringens von Viren in Wirtszellen viel Wissen über die molekulare Herstellung. Dieser Prozess kann grob in fünf Phasen unterteilt werden: Adsorption, Invasion, Enthüllung, Biosynthese, Zusammenbau und Freisetzung, wobei Adsorption und Invasion besonders kritisch sind. Denn um eine präzise Adsorption zu erreichen, muss das Adsorptionsprotein auf der Virusoberfläche spezifisch mit dem Rezeptor auf der Oberfläche der Wirtszelle übereinstimmen. Dieser molekulare Erkennungsmechanismus ist der Schlüssel zum Erfolg einer Virusinfektion und bildet den Kern ihrer Spezifität. Nach erfolgreicher Adsorption kann das Virus auf verschiedene Weise genetisches Material in die Wirtszelle injizieren, um den Invasionsprozess abzuschließen.

Während des Invasionsprozesses muss das Virus die Abwehrmechanismen der Wirtszelle überwinden, beispielsweise die Barrierefunktion der Zellmembran. Zu diesem Zweck haben Viren eine Reihe von Strategien entwickelt. So nutzen sie beispielsweise ihre eigenen Enzyme, um Zellmembranbestandteile abzubauen, oder dringen direkt in die Zelle ein, indem sie mit der Zellmembran verschmelzen. Die Umsetzung dieser Strategien ist untrennbar mit der präzisen molekularen Erkennung und Interaktion zwischen viralen Oberflächenproteinen und Wirtszellrezeptoren verbunden.

Der Prozess des Eindringens von Viren in Zellen ist ein anschaulicher Beweis für die Präzision der molekularen Fertigung in der Natur. Es enthüllt nicht nur die komplexe Interaktion zwischen Viren und Wirtszellen, sondern liefert auch wichtige Hinweise für den Menschen, um virale Infektionsmechanismen zu untersuchen und antivirale Medikamente zu entwickeln.

V. Schlussfolgerung: Molekulare Fertigung in der Natur und die Erleuchtung menschlicher Weisheit

Es gibt in der Natur noch viele weitere Wunderwerke der molekularen Herstellung, wie etwa den Farberzeugungsmechanismus der Schmetterlingsflügel, die druckfeste Schale der Seeigelstacheln oder die Produktion von Naturkautschuk. Sie demonstrieren nicht nur die Vorzüglichkeit und Komplexität der molekularen Herstellung in der Natur, sondern bieten auch reichhaltige Inspiration und Material für die wissenschaftliche Forschung und technologische Innovation des Menschen.

Durch Nachahmung und Lernen haben Wissenschaftler hochmoderne Produkte auf dem Gebiet der molekularen Herstellung entwickelt, wie etwa waschfreie Kleidung, flexible tragbare Batterien und unsichtbare Umhänge, und haben in vielen Bereichen wie Materialwissenschaft, Biomedizin und Informationstechnologie große Durchbrüche erzielt.

Indem wir in Zukunft unsere Forschungen zu den molekularen Herstellungsmechanismen in der Natur vertiefen, hoffen wir, leistungsfähigere, intelligentere neue Materialien und Technologien entwickeln zu können, die dem wissenschaftlichen und technologischen Fortschritt der Menschheit sowie der wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung dienen. Konzentrieren wir uns auf die molekulare Fertigung und schreiten wir weiter voran auf dem Weg, den technologischen Schlüssel zu einer neuen Qualitätsproduktivität zu finden!

Autor: Xu Xilian, Hangzhou Science and Technology Workers Service Center, Hangzhou Internationales Zentrum für den Austausch ziviler Wissenschaft und Technologie.