Najlepsze warunki dla rozprzestrzeniania się nasion sosny panują wtedy, gdy jest ciepło i sucho. Nic więc dziwnego, że szyszki, będące jedynymi w swoim rodzaju „pojemnikami” na nasiona, otwierają się, gdy temperatura i wilgotność powietrza są optymalne dla wysiewu. Co ciekawe, mechaniczne otwieranie i zamykanie się łusek szyszki zachodzi nawet wtedy, gdy jest uszkodzona lub nawet częściowo... skamieniała. Gdybyśmy poznali sekret odporności łusek szyszki, charakterystycznej także dla innych poruszających się organów roślinnych, moglibyśmy konstruować np. wyjątkowo trwałe śmigła helikoptera. Te i inne właściwości mechaniczne roślin, które w przyszłości będzie można stosować w inżynierii, odkrywa prof. dr hab. Dorota Kwiatkowska z Wydziału Nauk Przyrodniczych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

Prof. dr hab. Dorota Kwiatkowska

Badania dotyczące wzrostu i rozwoju organów roślinnych z perspektywy biofizyki prezentowane były na łamach „Gazety Uniwersyteckiej UŚ” co najmniej dwukrotnie. Jeden z artykułów ukazał się w kwietniowym numerze wydania z 2012 roku i dotyczył zainteresowań badawczych prof. dr hab. Doroty Kwiatkowskiej, drugi – przybliżający projekt dr hab. Agaty Burian, prof. UŚ – został opublikowany w styczniu 2019 roku. Nie byłoby w tym pewnie nic dziwnego, gdyby nie to, że oba teksty autorstwa dwóch różnych osób, zupełnie zresztą przypadkowo, otrzymały ten sam tytuł: Architektura roślin. Dziś temat biologii rozwoju roślin z punktu widzenia biomechaniki pojawia się po raz trzeci, dlatego jest to dobra okazja do zadania pytania, czy słowo architektura rzeczywiście dobrze opisuje prezentowane procesy.

– Koleżanki i koledzy z naszego zespołu patrzą na organizmy roślinne jak na obiekty fizyczne. W związku z tym terminologia zapożyczona od inżynierów wydaje się słuszna. Budowa roślin na poziomie makro może być niezwykle skomplikowana. Taka wydaje się również architektura budynku, który musi być tak zaprojektowany, aby był stabilny i mógł oprzeć się działaniu różnych niekorzystnych warunków zewnętrznych – mówi prof. Dorota Kwiatkowska. Rośliny postrzegamy jako obiekty fizyczne, ponieważ podlegają wszystkim prawom fizyki. – My koncentrujemy się na biomechanice, która bada nie tylko właściwości mechaniczne różnych komórek, tkanek czy całych organów, lecz również oddziaływanie sił zewnętrznych i wewnętrznych na organizmy roślinne – dodaje badaczka z Uniwersytetu Śląskiego.

W kręgu zainteresowań prof. Doroty Kwiatkowskiej znajduje się np. rola czynników mechanicznych w regulacji rozwoju i funkcjonowania roślin. W ciągu ostatnich kilkunastu lat to niezwykle popularny temat podejmowany przez biologów. Naukowcy z zespołu prof. Doroty Kwiatkowskiej badają m.in. podstawowe właściwości mechaniczne organów roślinnych, takie jak: sztywność czy wytrzymałość.

Kwiatostany kocanek ogrodowych (Xerochrysum bracteatum): zamknięty i po zanurzeniu w wodzie otwarty

Kwitnący pęd ostrokrzewu kolczastego (Ilex aquifolium)

Okazuje się, że żywe tkanki roślinne to niezwykle ciekawy materiał zbudowany z wielu drobnych komórek znajdujących się pod ciśnieniem. Każda żywa komórka otoczona jest naprężoną ścianą i przypomina napompowany balon. Jest również „przyklejona” do innych podobnych otaczających ją elementów. O takich strukturach mówi się, że są wstępnie naprężone. Co ważne, wstępnie naprężone są nie tylko np. zbudowane przede wszystkim z żywych komórek zielone łodygi i liście, ale także gałęzie czy pnie drzew, większość objętości których zajmują martwe komórki drewna. To oznacza, że różne organy korzystają z tego samego rozwiązania konstrukcyjnego mimo różnej budowy. – Ponownie odwołujemy się do architektury, ponieważ o wstępnych naprężeniach mówi się też w przypadku np. konstrukcji żelbetowych, stosowanych w budowie mostów i zapór. Dzięki takim właściwościom otrzymujemy o wiele bardziej wytrzymałe obiekty – komentuje biolożka.

Badając wybrane właściwości organów roślinnych, naukowcy wybierają gatunki szczególnie interesujące z punktu widzenia tematu badań, często szukając analogii także w roślinie modelowej i jej mutantach. W przypadku zespołu z Uniwersytetu Śląskiego jest to rzodkiewnik pospolity (Arabidopsis thaliana). – Zajmujemy się różnymi organami i gatunkami roślin. Ja interesuję się przede wszystkim analizą rozwoju i konstrukcji mechanicznej liści, np. ostrokrzewu. Jest to roślina, która, głównie w krajach anglosaskich, kojarzy się ze świętami Bożego Narodzenia. Ma kolczaste, dosyć sztywne i lekko pofalowane liście. Mnie ciekawi, w jaki sposób powstają te pofalowania. Chcę wiedzieć, jakie mechaniczne właściwości zyskuje roślina dzięki takim kształtom i konstrukcji oraz jakie korzyści z tego płyną – wylicza prof. Dorota Kwiatkowska. – Zajmujemy się też badaniem najbardziej zewnętrznych organów kwiatu, nazywanych działkami kielicha. U rzodkiewnika mają one ciekawą budowę; pokryte są delikatnymi żeberkami. Przypuszczamy, że taka tekstura może mieć kilka zalet, w tym również pewne pożądane właściwości mechaniczne – dodaje.

Niezwykle interesujące są pod względem zależności mechanika-funkcja organu kwiatostany kocanki ogrodowej, czyli tzw. nieśmiertelników. Otoczone są kolorowymi łuskami przypominającymi płatki, zbudowanymi z martwych komórek, które potrafią się zamykać i otwierać pod wpływem zmian poziomu wilgotności powietrza. Naukowcy zwrócili szczególną uwagę właśnie na mechanizmy ruchu tych łusek. Jest to szczególnie interesujące z punktu widzenia biomimetyki, która przenosi rozwiązania znane w przyrodzie do świata technologii.

– Odkryliśmy w ich przypadku coś zaskakującego. Okazało się, że te przekształcone liście potrafią się zamykać i otwierać nawet wtedy, gdy są dość poważnie mechanicznie uszkodzone. To świetne rozwiązanie, ponieważ mechanizm pozostaje sprawny nawet w sytuacji, gdy konstrukcja jest naruszona. Podobne rozwiązanie znane jest w przypadku szyszek sosny czy świerka. Otwierają się i zamykają pod wpływem zmiany warunków atmosferycznych nawet wtedy, gdy są częściowo zniszczone czy wręcz zmineralizowane, skamieniałe. To niesamowite rozwiązanie! – podkreśla badaczka. – Wyobraźmy sobie inżynierów, którzy chcieliby skopiować ten mechanizm np. do budowy śmigieł helikoptera, które byłyby w stanie pracować nawet w sytuacji częściowego uszkodzenia na skutek różnych mechanicznych oddziaływań. Jak trwałe byłyby to produkty! Naszym zadaniem jest odkryć, jak robią to rośliny. Chcemy wiedzieć, co sprawia, że są tak odporne, aby potem podzielić się tym rozwiązaniem z inżynierami – dodaje.

Na pewno tego typu badania są dziś łatwiejsze dzięki postępowi technologicznemu. Naukowcy mają do dyspozycji coraz bardziej zaawansowane techniki badawcze. Dzięki nim można sprawdzać hipotezy postawione nawet kilkadziesiąt lat wcześniej. Rozwijane są również narzędzia do modelowania matematycznego, niezwykle przydatnego w określaniu czynników wpływających na regulację różnych procesów rozwojowych roślin czy właśnie ich architektury.

– Modelowanie jest ważnym procesem, ponieważ bardzo często pokazuje, że pewne odpowiedzi sformułowane w oparciu o własną intuicję badacza bywają nietrafione – mówi biolożka. – Wyobraźmy sobie warstwę komórek, jak np. delikatna skórka odchodząca tak łatwo w czasie krojenia cebuli, która została pozbawiona wstępnego naprężenia. Innymi słowy, komórki zwiędły. Jeśli taki kawałek skórki zanurzymy w wodzie, komórki „napiją się”. Intuicja podpowiada, że wówczas ów kawałek skórki się powiększy. Nic bardziej mylnego. Okazuje się, że kawałek skórki się skurczy. Dzieje się tak ze względu na podłużny kształt komórek i ich dość sztywną ścianę. Proszę sobie wyobrazić materac z wydłużonymi komorami. Gdy go napompujemy, staje się grubszy i... węższy. To samo dzieje się z warstwą komórek. Dlatego zawsze warto czekać na wyniki badań i być czujnym, próbować różnych rozwiązań i eksperymentów. Nigdy nie wiadomo, co jeszcze nas zaskoczy – podsumowuje prof. Dorota Kwiatkowska.