Wissenschaftler machen neue Entdeckung! Das magische Phänomen des Flüssigkeitstransports bei Sukkulenten

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Der Transport von Flüssigkeiten stellt das notwendige Wasser und die Nährstoffe für das Überleben und Wachstum von Pflanzen und Tieren bereit und ist ein integraler Bestandteil der normalen Funktionsweise lebender Organismen. Das Blut zirkuliert durch ein Netzwerk von Blutgefäßen im gesamten Körper, versorgt die Zellen mit Sauerstoff und Nährstoffen und entfernt Kohlendioxid und Abfallprodukte, die durch den Zellstoffwechsel entstehen, wodurch die Stabilität des Lebenssystems aufrechterhalten wird.

Pflanzen erzeugen durch die Transpiration der Blätter eine Zugkraft, die die Wurzeln dazu antreibt, kontinuierlich Wasser aus dem Boden aufzunehmen und es durch das Kanalsystem zu den bedürftigen Teilen zu transportieren, wodurch der Wasserhaushalt des Pflanzenkörpers aufrechterhalten wird. Spinnenseide ist in der Lage, Nebeltröpfchen oder Tau in der Luft einzufangen und durch periodische Spindelknoten auf ihrer Oberfläche Feuchtigkeit zu den Gelenken zu transportieren.

Spinnennetz mit Wassertropfen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Bei Tieren und Pflanzen erfolgt der Flüssigkeitstransport meist unidirektional und entlang einer festen Richtung. Gibt es also Flüssigkeitswege, die Flüssigkeiten gezielt in jede Richtung transportieren können?

Am 20. Juni 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Zeitschrift Science einen Artikel über den selektiven gerichteten Flüssigkeitstransport in den Blättern der Sukkulente Ruolu und enthüllten damit eine neue Art des Flüssigkeitstransports in der Natur.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht

(Bildquelle: Referenz 1)

Was für eine Pflanze ist Ruolv? Welche Eigenschaften weist die Flüssigkeitsübertragung auf?

Ruolu ist eine Sukkulente aus der Familie der Dickblattgewächse (Crassulaceae) und der Gattung Sedum. Sie ist in Südafrika und Namibia heimisch und für ihr schnelles Wachstum und ihre starke Anpassungsfähigkeit bekannt. Ruolu hat mit seinen verstreut angeordneten kleinen Blättern ein eigenartiges Aussehen. Ihre Äste sind nicht nur vertikal, sondern auch horizontal, schräg und kriechend verteilt, was sie unter den Sukkulenten einzigartig macht.

Es gibt noch einen weiteren Grund, warum Ruolv bei Gartenliebhabern so beliebt ist: die Eigenschaft seiner Blätter, ihre Farbe zu ändern. Bei ausreichender Sonneneinstrahlung verfärben sich die grünen oberen Blätter rot und verleihen der eintönigen Pflanze einen Hauch von Helligkeit.

Sukkulenten

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Ruolv hat einen hohen Zierwert und zieht viele Liebhaber von Sukkulenten an. Auch chinesische Wissenschaftler haben einen solchen Topf mit Ruo Lu in ihren Händen, aber dieser Topf mit Ruo Lu ist anders, weil er seinen „Landsleuten“ hilft, ihre eigenen „Geheimnisse“ zu enthüllen.

Beim Gießen der Ruolu-Pflanze stellten die Forscher fest, dass die Flüssigkeit am horizontal verteilten Stängel der Ruolu-Pflanze tatsächlich selektiv in zwei entgegengesetzte Richtungen fließen konnte: zur Stängelspitze oder zur Wurzel. Dieses selektive Flüssigkeitsübertragungsverfahren unterscheidet sich vom herkömmlichen Flüssigkeitsübertragungsverfahren und ist von großer Bedeutung für die Forschung.

Wie wird der selektive Flüssigkeitszufuhrmodus erreicht?

Der Mechanismus des selektiven, gerichteten Flüssigkeitstransports von Ruolv ist in seiner einzigartigen Blattstruktur verborgen. Die Forscher führten ein Flüssigkeitstransferexperiment durch, indem sie Ethanol als Flüssigkeit auf zwei verschiedene Gruppen junger grüner Stängel träufelten. Die Ergebnisse zeigten, dass die Richtung des Flüssigkeitstransports am Stamm von R. ruvoluta mit dem konkaven Neigungswinkel der Blätter zusammenhängt. Wenn das grüne Blatt eine asymmetrische konkave Struktur hat, bedeutet das, dass es zur Stängelspitze hin einen nach oben geneigten konkaven Winkel und zur Wurzel hin einen nach unten geneigten konkaven Winkel aufweist.

Bei einem nach oben geneigten Konkavwinkel von 32°±8,5° und einem nach unten geneigten Konkavwinkel von 37°±6,6° breitete sich das Ethanol nur in eine Richtung zur Sprossspitze aus und wurde in der entgegengesetzten Richtung effektiv blockiert. Wenn der obere konkave Neigungswinkel 55°±5,2° und der untere konkave Neigungswinkel 34°±4,8° betrug, verteilte sich das Ethanol unidirektional in Richtung der Wurzeln.

Die Forscher verwendeten außerdem 3D-Drucktechnologie, um Array-Geräte herzustellen, die grünen Blattstrukturen ähneln, überprüften das theoretische Modell der anisotrop gekrümmten Flüssigkeitsoberfläche und enthüllten die Schlüsselrolle des geneigten konkaven Winkels bei der Steuerung der Richtung des Flüssigkeitstransports.

A. Der konkave Winkel eines grünen Blattes; B. Die Wasserübertragung zur Spitze eines grünen Blattes; C. Der Wassertransport zur Wurzel eines grünen Blattes; D. Die Beziehung zwischen Entfernung und Zeit des Flüssigkeitstransports; E. Vergleich von Flüssigkeitstransportmethoden auf verschiedenen Oberflächen

(Bildquelle: Referenz 1)

Anwendungen des selektiven und gerichteten Flüssigkeitstransports

Die Forscher entwarfen eine Reihe bionischer Geräte, die auf der asymmetrischen konkaven Eckstruktur der Blätter der grünen Sukkulente basieren. Beispielsweise wird durch die Einführung des magnetischen NdFeB-Materials als Füllstoff der Neigungswinkel der klingenartigen Struktur unter Einwirkung eines externen Magnetfelds geändert, um einen selektiven Flüssigkeitstransport zu erreichen. Durch Veränderung des Abstands der blattartigen Struktur mittels mechanischer Stimulation kann die Richtung des Flüssigkeitstransports umgeschaltet werden.

Wenn die Fähigkeit grüner Sukkulenten zum selektiven, gerichteten Flüssigkeitstransport aufgedeckt wird, können wir hoffen, eine Rekonfigurierbarkeit des Flüssigkeitstransports und eine intelligente Regulierung der Transportrichtung zu erreichen und darüber hinaus einen autonomen, gerichteten Flüssigkeitstransport über große Entfernungen zu realisieren. Diese Fähigkeit hat ein äußerst breites und attraktives Anwendungspotenzial in vielen Bereichen gezeigt, beispielsweise in der biomedizinischen Prüfung, der Analyse chemischer Reaktionen und der Mikrofluidik.

Klimaanlage. Diagramm des Übertragungsweges von Flüssigkeit in verschiedenen Green Leaf-Geräten

(Bildquelle: Referenz 1)

Abschluss

Der Fortschritt in Wissenschaft und Technologie kommt oft aus dem Leben. Mit ihrem scharfen Gespür lassen sich Wissenschaftler von den Feinheiten des täglichen Lebens inspirieren, extrahieren die subtilen Gesetze der Natur und verwandeln sie dann in Hightech-Produkte, die den sozialen Fortschritt vorantreiben. Hören Sie nie auf, zu forschen und unendlich viele Dinge zu entdecken. Es ist diese Neugier und das unermüdliche Streben nach der unbekannten Welt, die uns die unendliche Weisheit der Natur wertschätzen lässt. Wir freuen uns darauf, dass noch mehr Naturgesetze ans Licht kommen und die Technologie die Zukunft erhellt.

Verweise

1. Yang L, Li W, Lian JY, et al. Selektiver gerichteter Flüssigkeitstransport auf Sprossoberflächen von Crassula muscosa[J].Science,2024.

2.Parker AR , Lawrence CR .Wasseraufnahme durch einen Wüstenkäfer[J].Nature, 2001.

3. Chen Zhen, Zhang Zengzhi, Du Hongmei et al. Forschungsstand zur Anwendung bionischer Materialien in der Wassergewinnung[J]. Werkstofftechnik, 2020.

4. Jiang Chao, Han Peng, Qi Guicun et al. Forschungsfortschritt bei bionischen Materialien und Technologien zur Wassergewinnung[J]. Petrochemietechnik, 2021.