制作:中国科学普及協会 制作者:張立軍(中国科学院武漢植物園) 制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター 小学校の教科書に載っていた葉聖涛先生の「ツタの足」という記事を覚えていますか? 記事では、つる植物について次のように説明している。「つる植物には足があり、その足は茎に生えている。茎の裏側の葉柄の部分からは、6~7本の枝状の糸が伸びており、それぞれがカタツムリの触手のような形をしている。糸は新葉のように柔らかい赤色をしている。これがつる植物の足である。」 ナツヅタの吸盤(写真提供:袁明輝) 葉聖涛氏は作家の視点からツタを観察しました。実際、彼が話していたツタの根元は吸盤でした。 吸盤のおかげで、ナツヅタはつる植物界のリーダー的存在となっています。信じられないなら、注意深く観察すればいいのです。建物の外壁が活気と豊かな緑で満たされるまで、それほど時間はかからないでしょう。 建物の外壁はツタで覆われている(写真提供:veer Gallery) 吸盤 - クリーパーの「足」 ツタウルシは、クライミングウォール、グラウンドアイビー、フライングムカデとも呼ばれ、ブドウ科のツタウルシ属に属します。落葉性の多年生で、木質のつる状のつる植物です。ツタはつる植物なので、他のものの助けを借りて上へ登ることは、ツタのような植物の生存スキルです。 つる植物の大きな科には、さまざまな登り方があります。中には枝を曲げて登る者もいる。花、葉、茎を巻きひげに変える植物もあります。一部の植物は、自分自身を固定し、上方に付着する目的を達成するために、吸盤、不定根、またはトゲを進化させます。さらに賢い植物の中には、上記の複数の機能を同時に備えているものもあり、まさに「軒先を飛び越え、壁の上を歩く」という夢を実現しています。 ツタの巻きひげは茎から変化したものです。登れる表面に遭遇すると、巻きひげの上部と先端が吸盤に発達し、成長スペースを探して上方に登るのに使用します。 つる植物の「手」と「足」のような役割を果たすのが、巻きひげと吸盤です。ツタは両手と両足を使って、岩や壁、木などにしっかりと張り付きます。 ナツヅタの巻きひげと吸盤(写真提供:著者撮影) 植物学の分野で、つる植物を最初に観察したのは進化論の先駆者であるダーウィンでした。 バージニア・クリーパー(別名Parthenocissus tricuspidata)の巻きひげの動きを観察していたところ、一部の植物の巻きひげは枝や棒に巻き付いた後、自ら引っ込み、木や壁の平らな面に触れると、巻きひげをすべてその面に向かって曲げ、まばらに広がり、鉤状の先端の側面が面に触れることを発見した。 約2日後、巻きひげの先端が膨らんで、しっかりと接着できる「小さなパッド」が形成されます。これを「吸盤」と呼びます。 何も付いていない巻きひげは、1、2 週間後には枯れて落ちてしまいます。ダーウィンは、何らかの物体との一時的な接触など、特定の外部刺激を受けない限り、ツル植物の吸盤は活発に発達しないと主張した。 画像出典: ダーウィン、「つる植物の運動と習性」 280万回!超強力な吸着力を持つアイビー吸盤! 日常生活では、壁のハンガーや浴室の収納トレイなど、吸盤をよく使います。これらの真空カップは吸着に空気圧を使用し、通常は数キログラムまでの重量に耐えることができます。 しかし、ツタに比べれば、真空吸盤の吸引力は取るに足らないものです。ダーウィンは、樹齢10年以上の成熟したつる植物の小枝には、根元に接している吸盤が1つだけ残っていることを発見しました。 2 ポンドの重り (重力は約 8.9 ニュートン) を小枝に吊るしても、吸盤は落ちることなくベースの表面にしっかりと接着することができました。 科学者たちは、ツル植物の吸盤の吸引力を詳細に測定した。成熟した吸盤の平均質量は約 0.0005 グラムで、基材との平均接着接触面積はわずか 1.22 平方ミリメートルですが、接着力は 13.7 ニュートンにも達します。 計算によれば、1 つの吸盤は、茎、葉、枝、巻きひげによって発生する重量を含め、自身の重量の 260 倍を支えることができます。吸盤が耐えられる最大の引っ張り力は自重の280万倍です。これは非常に衝撃的な統計です。 ご存知のとおり、ヤモリは強力な接着力を持っており、さまざまな壁に登ったり、逆さまにぶら下がったりすることができます。しかし、成熟した吸盤はヤモリの足の112倍の接着力に耐えることができます。 また、吸盤の接触面積と吸着力の大まかな推定によると、吸盤を模して設計された「バイオニックパーム」の指先は、吸着によって114kgの人を支えることができるという。 ベースに取り付けられた吸盤素材の手の指先は、114kgの人を支えることができます(画像出典:参考1) 1 つの吸盤だけでも非常に強力ですが、ツタの接着システムには複数の吸盤が同時に備わっており、さらに巻きひげの螺旋構造が「プラグイン」として組み込まれているため、重力を恐れることなく壁に垂直に登ることができ、強風や大雨にも耐えることができます。 吸盤はどのように成長するのでしょうか?どうやって貼り付けたんですか? 科学者たちは、巻きひげの先端から本格的な吸盤が発達するのは、吸盤の形態と構造の変化に依存する複雑なプロセスであると主張している。 彼らは、つる植物の巻きひげの探索枝が強力な基質認識能力を持ち、基質表面がしっかりと付着できるかどうかを感知できることを発見した。接触刺激の後、未成熟の吸盤は一連の複雑な細胞分裂と増殖のプロセスを経て、表皮と表皮下の細胞は細胞壁を通して表皮細胞から分泌される粘着性物質を蓄積します。 この粘液は表皮を破り、分泌された粘液によって吸盤が支持体に粘着し、最終的に吸盤と基質が結合します。 完全に密着した吸盤では、流れる粘液が「両面テープ」のように機能し、表皮細胞内の隙間や表皮細胞と基質の間の隙間をすべて埋めます。 つる植物の巻きひげで枝を探す(画像出典:参考文献5) 顕微鏡で観察すると、ナツヅタの吸盤は中央部と周辺部の2つの部分に明確に分かれています。 末梢領域は、吸盤内の粘液分泌と表皮細胞の伸長の主な場所です。基材表面の凹凸は、流れる粘液によって占められるか、または表皮細胞によって満たされ、吸盤と基材の間に完璧な噛み合わせを形成し、それによって超強力な接着を維持します。 走査型電子顕微鏡実験では、いくつかの新しい奇妙な吸盤の微細構造も発見されました。これらのスポンジのような多孔質構造は粘液の流れと移動を促進し、吸盤と基材間の接着力を大幅に高めることができます。 画像出典: 参考文献 1 吸盤がしっかりと付着すると、巻きひげは丸まり、太くなり、木質化し、つる植物の巻きひげと吸盤にかなりの保持力を与えます。 さらに、科学者たちは、ツタの吸盤が巻きひげの主軸に沿って交互に配置されていることを観察しました。これは、建築における対称性と非対称性の規則に従っているだけでなく、表面物理化学における安定吸着の原理とも一致しています。 つる植物の吸盤が巻きひげの主軸に沿って交互に配置されているのは、構造力学の典型的な例です。さらに驚くべきことは、吸芽、巻きひげ、茎の幾何学的な相関関係が、都市の配管網における枝や幹の分布と驚くほど類似していることです。 蔓性植物の吸芽分布(写真提供:veer gallery) ナツヅタの吸盤の配置のモデル図(画像出典:文献 2) パイプラインの分岐配置(画像提供:veer gallery) 吸盤から分泌される「接着剤」とは何ですか? ダーウィンは若い頃、つる植物の吸盤に含まれる粘着性の分泌物の溶解度に関する実験も行いました。彼は漆喰壁から成熟した吸芽をいくつか集め、それを数時間熱湯に浸した。その後、エタノールと酢酸で洗浄したところ、吸盤に付着した小石はまだ頑固で、なかなか落ちないことがわかった。 しかし、吸盤をエーテルに 1 日間浸した後、石の粒子が緩み始め、マイルドなエッセンシャル オイル (主にペパーミントやタイム) では、石の粒子はわずか数時間で完全に緩みました。 溶解性実験の結果から、ナツヅタの吸盤の接着成分は樹脂接着剤であることが示唆されるようです。 その後、科学者たちは染色実験を通じて、ツタの吸盤が分泌する粘着性物質はおそらく酸性の粘着性多糖類であることを発見しました。さらに、現代の免疫細胞化学的手法により、吸盤の分泌物の粘着性は、主に分岐が切断されたラムノセガラクツロナン多糖類に関係していることが示されました。 2012年、科学者たちは高性能液体クロマトグラフィー/質量分析法を用いて、ナツヅタの吸盤に含まれる21種類の有機成分を予備的に分離した。そのほとんどは窒素、硫黄、酸素元素を含んでいた。これらの元素を含む化合物は基本的に極性を生み出すことができます。したがって、水素結合は、登攀の過程で吸盤によって生成される弱い吸着力である可能性があると推測されます。 2016年、偏光顕微鏡検査により、吸盤の皮質細胞に結晶が含まれており、成熟細胞によく存在することが明らかになりました。酸溶解性試験により、結晶は縫線結晶として知られるシュウ酸カルシウムで構成された針状結晶であることが明らかになりました。針状の結晶は有機マトリックスに埋め込まれ、束を形成します。多量の水は結晶の束を壊し、個々の結晶を分離させる可能性があります。 シュウ酸カルシウム結晶の構造特性(画像出典:文献4) シュウ酸カルシウム結晶は重要な機械的支持の役割を果たしており、基板上の吸盤の安定性を高めます。さらに、針状の結晶は、吸盤が草食動物や昆虫に食べられるのを防ぐのにも役立つと考えられます。 結晶の安定性は非常に強いです。ツタが生えていた石が130年もの間自然の変化を経験した後でも、土台の表面や吸盤の周囲に結晶が付着したままになっていることがわかった人もいます。 吸盤の接着メカニズムの仮説 1. 界面反応仮説 科学者たちは、吸着メカニズムは界面反応であり、それが吸盤の「固定」と窒素酸素吸入による負圧の形成につながるという仮説を立てた。 ツタが分泌する粘液は弱酸性の物質です。吸盤と基材の接触面でゆっくりと化学反応が起こります。この反応は肉眼や通常の分析方法では検出が困難です。 界面反応の化学生成物は分子レベルでマイクロフィラーとして機能し、吸盤と基板間の接着力を大幅に強化することができます。 この界面化学反応により、吸盤が基板表面に「固定」されます。さらに、吸盤が成長して発達するにつれて、巻きひげの先端は接触によって絶えず刺激され、分泌物が継続的に生成されるため、吸盤内にいくらかの空気が閉じ込められる。成長と発達の過程で、光合成によって吸芽に含まれる窒素が消費されます。 同時に、特定の還元性分泌物の酸化反応により、クプラに含まれる酸素が消費されます。 光合成と酸化反応により吸盤内のガスがほぼ消費され、吸盤内が負圧になり、吸盤と基材の接着強度が向上します。 さらに、吸着、分子間力、静電気力、毛細管力、ファンデルワールス力などの弱い相互作用力も接着に補助的な役割を果たします。 2. マルチレベルシステム強化仮説 他の科学者は、吸盤は全体的に鉄筋コンクリートに似た構造をしており、細胞壁繊維は鉄筋のようで、細胞マトリックスと粘液はセメントのようで、結晶は石のようであると考えています。 自然環境では、吸盤の粘液に満たされた表皮は脱水して固まり、一次保護層を形成します。結晶を豊富に含む皮質組織は、二次保護システムである皮質の機械的強度を大幅に高めます。よく発達した木部を持つ維管束柱は三次保護システムであり、最初の 2 つの保護システムが機能しなくなったときに役割を果たします。 この多層システム強化構造により、吸盤接着の安定性と耐久性を最大限に確保できます。自然界では、10年から130年、あるいはそれ以上も存続することがあります。 つまり、吸盤の吸着原理は私たちが想像していたよりもはるかに複雑です。 吸盤の微細構造と接着メカニズムを解明するには、さらに詳細な研究が必要です。自然の力は美しさを生み出すだけでなく、奇跡も生み出すことができます。 参考文献: 1.何天憲、ヤン・ウェンウー、デン・ウェンリー。超接着性つる植物「ナツヅタ」の最新の研究成果と研究の進捗状況をレビューします。自然科学の進歩。 2008年、(11):1220-1225 2. 何天仙。ナツヅタ吸盤の接着に関する研究。華南理工大学。 2012年。博士論文。 3. 張 麗。 Parthenocissus tricuspidata 吸盤多糖類の分離、精製、構造特性および接着特性。華南理工大学。 2014年。博士論文。 4. ヤン・シャオジュン。つる植物の接着システムの機能形態と構造。華南理工大学。 2016年。博士論文。 5. Steinbrecher T、Beuchle G、Melzer B、他。ナツヅタの付着器系の構造発達と形態。国際植物科学2011、172:1120-1129。 6. デンWL。つる植物の巻きひげ、粘着ディスク、超粘着効果。 Nature Precedings (2008) から入手可能 |
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