Je runzeliger die Paprika, desto schärfer ist sie? Die Wahrheit ist hier!

Tatsächlich entwickeln Pflanzen aus verschiedenen Gründen Falten auf ihrer Oberfläche, genau wie Menschen mit zunehmendem Alter Falten im Gesicht bekommen. Die Falten auf der Oberfläche von Paprika haben Wissenschaftler dazu veranlasst, die darin verborgenen Geheimnisse zu erforschen.

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Der Grund, warum die Pfefferoberfläche faltig wird

Dass Paprika durch Austrocknen Falten bekommt, ist im Alltag ein weit verbreitetes Phänomen. Es ist jedoch keine einfache Aufgabe, im Detail zu analysieren, warum sich derart komplexe Falten bilden.

Kürzlich haben chinesische Wissenschaftler relevante Erkenntnisse der mathematischen Physik genutzt, um Evolutionsexperimente zur komplexen Oberflächenmorphologie ringförmiger Materialien mit Kern-Schale-Struktur durchzuführen und eine Reihe theoretischer Berechnungen durchzuführen, um die Ursachen für die Faltenbildung auf der Oberfläche von Paprika zu erklären.

Pfeffer mit ringförmiger Kern-Schalen-Struktur. Bildquelle: Referenz [1]

Im Laufe ihres Wachstums entwickeln viele Paprikaschoten eine gebogene Ringstruktur. Darüber hinaus ist das Innere der Paprika hohl, sodass die Forscher die Paprika als Material mit ringförmiger Kern-Schale-Struktur klassifizieren.

Forscher sagen, dass die Falten auf der Oberfläche von Paprika von vielen inneren und äußeren Faktoren beeinflusst werden. Die geometrische Struktur ist ein wichtiger physikalischer Faktor, der die Oberflächenfalten von Paprika beeinflusst.

Bei der geometrischen Struktur ist die Krümmung des toroidalen Kern-Schale-Strukturmaterials das typischste Merkmal. Die Ringstruktur enthält wechselnde Krümmungen, darunter positive, negative und Null-Gauß-Krümmungen. Diese sich ändernden Krümmungen beeinflussen die Veränderungen der Morphologie der Paprika während ihres Wachstums und verursachen dann komplexe Falten auf der Oberfläche der Paprika.

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Um die Ursachen der Falten zu untersuchen, verwendeten die Forscher die Methode der finiten Elemente, um den Pfeffer in Oberflächenschalenelemente und innere weiche Kernelemente zu zerlegen.

Da es während des Wachstums von Paprika zu Dehydration und anderen Verhaltensweisen kommt, unterscheiden sich die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche und des Inneren der Paprika, was zu einer Biegeverformung der Struktur und einer Spannungsfehlanpassung zwischen der Oberflächenschicht und dem Substrat führt . In der ringförmigen Struktur der Paprika ändert sich die Krümmung ständig, was zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung der gesamten Paprika führt und dann zur Zerstörung der Symmetrie der Paprika führt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Paprika von innen und außen unterschiedlichen Kräften ausgesetzt ist und unter der Belastung der inneren und äußeren Strukturen allmählich ihre Form verändert.

Wir haben nun das Problem gelöst, warum sich Paprika beim Trocknen verformt, aber verschiedene Paprikaschoten haben unterschiedliche Falten . Um dieses Problem zu lösen, müssen wir die Struktur des Pfeffers analysieren.

Mithilfe des nichtlinearen Ringschalenmechanikmodells wurde festgestellt, dass schlanke Strukturobjekte eher dazu neigen, Falten am Innenring zu bilden, während sich bei Ringstrukturen mit kleinen Löchern die Wahrscheinlichkeit einer Faltenbildung eher am Außenring erhöht. Gleichzeitig wirkt sich auch die Härte des Objekts auf die Morphologie aus. In einer weicheren Ringschale entstehen leicht grübchenartige Vertiefungen. In härteren Ringschalen treten eher bidirektionale Streifen oder spiralförmige Faltenmorphologien auf.

Dieses Forschungsergebnis löst nicht nur das Problem der Pfefferfalten, sondern das von den Forschern erstellte theoretische Modell ist auch auf andere Dinge mit leicht unterschiedlichen Formen anwendbar. Es kann dabei helfen, die Veränderungen der Morphologie von Objekten unter verschiedenen Bedingungen vorherzusagen und die Entwicklung eines Produktformdesigns auf der Grundlage der Regulierung der Faltenmorphologie zu leiten .

Simulationsdiagramm der morphologischen Entwicklung der ringförmigen Kern-Schale-Struktur. Bildquelle: Referenz [1]

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Die Beziehung zwischen Pfefferfalten und Schärfe

Ein wichtiger Faktor, der die Schärfe von Paprika beeinflusst, ist der Capsaicingehalt in den Paprika. Je höher der Capsaicin-Gehalt, desto schärfer ist der Pfeffer. Die Falten der Paprika hängen mit dem Lignin in der Paprika zusammen. Je höher der Ligningehalt, desto steifer sind die Paprikaschoten und desto weniger Falten haben sie. Andernfalls haben sie mehr Falten.

Es scheint, dass Capsaicin für die Schärfe und Lignin für die Fältchen sorgt. Es scheint, dass die beiden ihre eigenen Funktionen haben und sich nicht gegenseitig beeinflussen? Tatsächlich gibt es im Syntheseprozess der beiden eine gegenseitige Beeinflussung .

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Für die Synthese von Capsaicin werden phenolische Substanzen benötigt. Studien haben gezeigt, dass die Peroxidase in Paprika die phenolischen Substanzen, die Capsaicin synthetisieren, oxidativ zersetzen kann, um die Synthese von Lignin zu ermöglichen. Man erkennt, dass Schärfe und Härte von Paprika in einem Wechselverhältnis stehen . Je geringer die Aktivität der Peroxidase, desto geringer der Ligningehalt, desto mehr Falten hat die Paprika, desto höher ist ihr Capsaicingehalt und desto schärfer schmeckt sie. Es stellt sich heraus, dass die Paprikaschoten zwar verwittert aussehen, ihre Tödlichkeit jedoch keineswegs abgenommen hat.

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Andere Geheimnisse, die in den Falten der Pflanzen verborgen sind

Das Phänomen, dass Paprika aufgrund von Dehydration und anderen Faktoren trocken und schrumpelig wird, kann auch bei anderen Pflanzen beobachtet werden. Verschiedene Pflanzen haben ein unterschiedliches Aussehen und eine unterschiedliche Struktur und auch der Faltenbildungsprozess gibt den Forschern unterschiedliche Anregungen.

1. Passionsfrucht

Wenn die Passionsfrucht reift, wird ihre Schale allmählich runzelig. Die Forscher beschreiben den Faltenprozess der Passionsfrucht als chirales Faltenmuster . Das mechanische Modell wurde verwendet, um die universellen Gesetze des Faltenbildungsprozesses der Passionsfrucht aufzudecken und den strukturell-elastischen Mechanismus hinter der Faltenbildung zu demonstrieren. Auf Grundlage dieses Mechanismus haben Forscher Roboter entwickelt, die Objekte greifen können, und so die Entwicklung adaptiver Greifroboter vorangetrieben.

Passionsfrucht, urheberrechtlich geschütztes Bild, unerlaubte Reproduktion

2. Lotusblatt

Die morphologische Entwicklung von Lotusblättern während ihres Wachstums hat das Interesse der Forscher geweckt. Die Forscher konstruierten ein dünnes Plattenmodell, das das unterschiedliche Wachstum von Hängeblättern und Schwimmblättern in verschiedene Richtungen erklären kann, um die Evolution der Morphologie von Wasserpflanzen genau vorherzusagen .

Die Ergebnisse zeigen, dass Lotusblätter, die auf der Wasseroberfläche wachsen, normalerweise als gebogene Kegel erscheinen und lange, gewellte Falten an den Außenrändern der Blätter aufweisen. Bei schwimmenden Lotusblättern bilden sich an den Außenkanten kurze Wellenfalten. Die Forschungsergebnisse können neue Ideen zur Regulierung der bionischen Strukturmorphologie liefern.

Lotusblatt, urheberrechtlich geschütztes Bild, unerlaubte Reproduktion

Es ist ersichtlich, dass viele Entwicklungsgesetze von Organismen durch die Wissenschaft erklärt werden können und neue Ideen für die Entwicklung neuer Dinge liefern. Welche anderen interessanten Naturphänomene haben Sie entdeckt?

Schließlich zeigt das Bild unten einige Paprika aus dem Botanischen Garten Shanghai Chenshan. Jeder ist herzlich eingeladen, eine Nachricht zu hinterlassen und zu raten, welche der sechs nummerierten Paprikaschoten die schärfste ist?

Foto aufgenommen von: Xu Lai

Quellen:

[1] Wang, T., Dai, Z., Potier-Ferry, M. & Xu, F. Phys. Ehrw. Lett. 130, 048201 (2023).

[2] Die Falten einer Chili und die Grübchen einer Kirsche erklärt. https://doi.org/10.1038/d41586-023-00132-y.

[3] Xu, F., Huang, Y., Zhao, S. et al. Chirale topografische Instabilität in schrumpfenden Kugeln. Nat Comput Sci 2, 632–640 (2022).

[4] Zhou Tao. Bewertung der Paprikasortenressourcen und vorläufige Studie zu Faktoren, die den Capsaicingehalt beeinflussen[D]. Landwirtschaftliche Universität Hunan, 2005.

[5] Xu, F., Huang, Y., Zhao, S. et al. Chirale topografische Instabilität in schrumpfenden Kugeln. Nat Comput Sci 2, 632–640 (2022).

[6] Xu, F., Fu, C., Yang Y. et al. Wasser beeinflusst die Morphogenese wachsender Blätter von Wasserpflanzen. Phys. Ehrw. Lett. 124, 038003 (2020).

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Ishimiya

Hersteller: China Science Expo

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