Когда температура окружающей среды опускается ниже нуля, на многих листьях вечнозеленых растений образуются кристаллы льда. Тем не менее, обычно они переживают морозы целыми и невредимыми. Используя специальный криосканирующий электронный микроскоп, исследователи из Зоологического института Христианско-альбрехтского университета в Киле (CAU) впервые смогли получить изображения высокого разрешения процессов обледенения на поверхности растений, произрастающих в Германии и Антарктиде, в микро- и наномасштабе. В процессе работы они обнаружили на поверхности листьев различные крошечные структуры, с помощью которых растения защищаются от низких температур.

Лучшее понимание этих защитных стратегий может быть также интересно для защиты сельскохозяйственных культур или искусственных поверхностей, таких как самолеты. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Science of Nature.

Вдохновение для искусственных противообледенительных поверхностей

Для защиты самолетов от обледенения их обрабатывают специальными жидкостями или создают нагреваемые поверхности. Наука и промышленность во всем мире исследуют подходящие покрытия для авиации. "Однако многие из наших диких растений в ходе эволюции выработали собственную естественную защиту от обледенения", - объясняет профессор Станислав Горб, руководитель исследовательской группы "Функциональная морфология и биомеханика". Более 20 лет зоолог изучает поверхности растений в CAU вместе со своей женой доктором Еленой Горб, ботаником по образованию.

Чтобы выяснить, как растения защищаются от обледенения, исследования до сих пор были сосредоточены в основном на химических процессах в клетке растений, таких как содержание сахара или других антифризов. Теперь исследовательская группа из Киля смогла показать, что структура поверхности листьев также выполняет важную защитную функцию при низких температурах. Для этого два исследователя изучили образование кристаллов льда на различных видах листьев местных диких растений.

"Мы смогли показать, что тонкие волоски, так называемые трихомы, или восковой слой на листьях являются эффективной адаптацией растений для предотвращения или борьбы с обледенением непосредственно на поверхности листьев. Если слой льда образуется непосредственно на кутикуле, клетки растения вскоре также замерзнут", - говорит Елена Горб.
Поверхности листьев выработали различные адаптации

Проводя исследования в природе и в лаборатории, два исследователя смогли выявить различные защитные механизмы на листьях.

Листья растений с трихомами, такие как у маргаритки (Bellis perennis), обычно гидрофильные. Поэтому кристаллы льда образуются сначала на их кончиках, а как только температура снова повышается, они также быстро тают в этом месте. Чувствительная поверхность листьев под ними остается свободной ото льда и неповрежденной.

Поверхность листьев, покрытая трехмерными наноразмерными восковыми выступами, как, например, у некоторых видов тюльпанов (Tulipa gesneriana), напротив, является супергидрофобной: Капли воды мгновенно скатываются с них, что также известно как "эффект лотоса". Кристаллы льда могут образоваться здесь только в том случае, если молекулы воды будут остановлены дефектами в восковом слое. Но даже в этом случае они не повреждают восковой слой, и лист под ним остается неповрежденным.

Ученые обнаружили противообледенительную восковую стратегию растений не только в Германии, но и за Антарктическим кругом: Deschampsia antarctica, одно из двух цветковых растений, произрастающих в Антарктиде, даже имеет двойную защиту с заметным эпикутикулярным восковым покрытием, состоящим из двух наложенных друг на друга слоев с обеих сторон листа.

В другой недавней публикации в Beilstein Journal of Nanotechnology исследователи предполагают, что двухслойный воск может еще больше способствовать адаптации растения к суровым условиям окружающей среды в Антарктиде за счет повышения его устойчивости к низким температурам, обледенению, вредному ультрафиолетовому излучению и обезвоживанию.

Растения с относительно гладкими листьями, такие как вишневый лавр (Prunus laurocerasus), на первый взгляд, наименее защищены: Кристаллы льда могут образовываться по всей поверхности. Под воздействием солнечного света талая вода скапливается в нижних частях листа. Когда температура снова падает, эти "лужицы" замерзают и могут надолго повредить клетки растения. "Но поскольку такие растения выживают зимой, мы считаем, что у них есть достаточная химическая защита от замерзания", - говорит Станислав Горб.

Криомикроскоп позволяет получать изображения при температуре минус 140 градусов

Команда смогла изучить наноразмерные кристаллы льда только с помощью криосканирующего электронного микроскопа. В отличие от других методов, биологические образцы здесь не высушиваются, а очень быстро замораживаются. Это достаточно хорошо сохраняет их структуру и позволяет изучать их почти в первозданном виде.

Для этого ученые заморозили листья, ненадолго погрузив их в жидкий азот при температуре минус 196 градусов. В микроскоп, охлажденный до минус 140 градусов, можно было получить снимки с высоким разрешением образовавшихся кристаллов льда. При комнатной температуре кристаллы льда снова тают, и процесс можно повторить. Таким образом, можно имитировать промежуточное таяние в природе, как днем под воздействием солнечного света.

"В конечном счете, в ходе эволюции растения выработали множество способов защиты от холода, - говорит Станислав Горб. Взаимодействие с водой на поверхности листьев обещает интересные открытия, особенно для разработки технических "антиобледенительных" поверхностей. "Но мы еще очень мало знаем об этих процессах".