科学者が新たな発見をしました！多肉植物の不思議な液体輸送現象を解明

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

液体の輸送は、植物や動物の生存と成長に必要な水と栄養素を供給し、生物の正常な機能に不可欠な部分です。血液は血管網を通じて体全体を循環し、細胞に酸素と栄養素を供給し、細胞の代謝によって生成された二酸化炭素と老廃物を除去し、生命システムの安定性を維持します。

植物は葉の蒸散によって牽引力を生み出し、根を動かして土壌から継続的に水を吸収し、導管系を通じて必要な部分に水を運び、植物体の水分バランスを維持します。クモの糸は、空気中の霧滴や露を捕らえ、表面の周期的な紡錘形の結び目を通して関節まで水分を運ぶことができます。

水滴のついた蜘蛛の巣

（写真提供：veerフォトギャラリー）

動物や植物では、液体の輸送は通常、一方向かつ一定の方向に沿って行われます。では、液体を任意の方向に選択的に輸送できる液体経路はあるのでしょうか?

2024年6月20日、中国の科学者らは、多肉植物ルオルの葉における選択的方向性液体輸送に関する論文を科学誌「サイエンス」に発表し、自然界における新たな液体輸送モードを明らかにした。

研究結果はサイエンス誌に掲載された。

（画像出典：参考1）

ルオルブってどんな植物ですか？液体透過の特性は何ですか?

ルオルはベンケイソウ科セダム属の多肉植物です。南アフリカとナミビア原産で、成長速度が速く、適応力に優れていることで知られています。ルオルは小さな葉が散らばって並んでいる独特な外観をしています。枝は垂直だけでなく、水平、斜め、這うように伸びており、多肉植物の中でもユニークな特徴を持っています。

ルオルブが園芸愛好家の間で非常に人気があるもう一つの理由は、その葉の色が変わる性質です。十分な日光が当たると、緑色の上の葉が赤くなり、単調な植物に明るさが加わります。

多肉植物

（写真提供：veerフォトギャラリー）

ルオルフは観賞価値が高く、多くの多肉植物愛好家を魅了しています。中国の科学者もそのような若露の壺を手にしているが、この若露の壺は「同胞」が自らの「秘密」を明らかにするのに役立つという点で異なっている。

研究者たちは、ルオル植物に水をやる際に、水平に分布するルオル植物の茎上の液体が、実際には茎の先端または根に向かって2つの反対方向に選択的に流れる可能性があることを発見しました。この選択的液体透過法は従来の液体透過法とは異なり、重要な研究意義を持っています。

選択的液体供給モードはどのように実現されますか?

Ruolv の選択的方向性液体輸送のメカニズムは、その独特な葉の構造に隠されています。研究者らは、2つの異なるグループの若い緑の茎に液体としてエタノールを滴下し、液体転送実験を行った。結果は、R. ruvoluta の茎上の液体輸送の方向が葉の凹面傾斜角度に関連していることを示しました。緑の葉が非対称の凹構造を持っている場合、つまり、茎の先端に向かって上向きに傾斜した凹角を呈し、根に向かって下向きに傾斜した凹角を呈します。

上向きの凹角が32°±8.5°、下向きの凹角が37°±6.6°の場合、エタノールはシュートの先端に向かって一方向に伝播し、反対方向への伝播は効果的に阻止されました。上面傾斜凹角が55°±5.2°、下面傾斜凹角が34°±4.8°の場合、エタノールは根に向かって一方向に拡散した。

研究者らはまた、3Dプリント技術を使用して緑の葉の構造に似たアレイデバイスを作成し、異方性曲面液体表面の理論モデルを検証し、傾斜した凹角が液体輸送の方向を制御する上で重要な役割を果たすことを明らかにした。

A. 緑の葉の凹角。 B. 緑の葉の先端への水の移動。 C. 緑の葉の根への水の移動。 D. 液体輸送の距離と時間の関係。 E. 異なる表面における液体輸送方法の比較

（画像出典：参考1）

選択的かつ方向性のある液体輸送の応用

研究者たちは、緑色の多肉植物の葉の非対称な凹角構造に基づいて、一連のバイオニックデバイスを設計した。例えば、磁性NdFeB材料を充填材として導入することで、外部磁場の作用によりブレード状構造の傾斜角度が変化し、液体の選択輸送を実現します。機械的な刺激によって葉のような構造の間隔を変えることで、液体の輸送方向を切り替えることができます。

緑色多肉植物の葉の選択的方向性液体輸送能力が明らかになれば、液体輸送の再構成可能性と輸送方向のインテリジェントな制御を実現し、さらに自律的で長距離の方向性液体輸送を実現できると期待できます。この機能は、生物医学的検査、化学反応分析、マイクロ流体工学など、多くの分野で非常に幅広く魅力的な応用可能性を示しています。

交流。さまざまなグリーンリーフデバイスにおける液体の伝送経路の図

（画像出典：参考1）

結論

科学技術の進歩は多くの場合、生命から生まれます。科学者は鋭い洞察力で日常生活の微妙な部分からインスピレーションを得て、自然の微妙な法則を抽出し、それを社会の進歩を促すハイテク製品に変換します。探索を止めず、無限のものを発見してください。未知の世界に対するこの好奇心とたゆまぬ追求こそが、自然が授けた無限の知恵を私たちが理解することにつながります。さらなる自然法則が明らかになり、テクノロジーが未来を照らすことを期待しています。

参考文献

1.ヤン・L、リー・W、リアン・JY、他。 Crassula muscosaのシュート表面における選択的方向性液体輸送[J].Science、2024。

2.パーカーAR、ローレンスCR.砂漠の甲虫による水分の捕獲[J]。ネイチャー、2001年。

3. 陳振、張曾志、杜紅梅ほか。バイオニック材料の水収集への応用に関する研究状況[J]。材料工学、2020年。

4. ジャン・チャオ、ハン・ペン、チー・グイチュン、他。バイオニック集水材料と技術の研究の進歩[J]。石油化学工学、2021年。