2017. szeptember 20. szerda
Friderika
Biotechnológia, molekuláris biológia és élettan az mRNS.hu-n

Az info@mrns.hu-ra küldhet linket vagy valamilyen anyagot, amit szeretne, ha hírként bemutatnánk.


Korábbi híreink  |   Keresés:

Kiválasztott hír:
Megosztás: Add az iWiW-hez Add a Facebook-hoz Add a Twitter-hez Add a Google Reader-hez Add a Startlaphoz
Egy csavaros gondolat: uborka ihlette új rugó - 2012-09-10 09:03:19 Hozzászólás írása Hozzászólások száma 0 hozzászólás 
Egy csavaros gondolat: uborka ihlette új rugó

Az uborka kapaszkodó kacsainak különös csavarodási viselkedése által ihletve, a Harvard Egyetem kutatói egy új típusú rugót írtak le, amely lágy, ha óvatosan húzzák, azonban erős rántásra rugalmatlanná válik. Ahelyett, hogy stressz hatására egy lapos szalaggá tekeredne ki, ahogyan azt egy átlagos letekert tekercs tenné, az uborka kacsok még tovább csavarodnak. E különös viselkedés megértéséhez egyaránt szükség van fizikai és matematikai modellezésre, sejtbiológiára és igen nagy mennyiségű szilikonra. A Science magazin legújabb számában közölt eredményben leírják az uborkában a csavarodást okozó mechanizmust, ezen felül egy biológia ihlette új, nem csavarodó rugótípus ötletét is felvetik.

L. Mahadevan vezető kutató irányítása alatt a szimpla kíváncsiság vezette el a kutatókat a felfedezéshez.

„A természet szépen lassan és folyamatosan finomítva, már megoldotta az összes energetikai és mechanikai problémát” –mondja a vezető szerző Sharon Gerbone a Harvey Mudd College fizikai részlegének munkatársa –„de igen ritka, hogy egy biológiai mechanizmust a fizikus, vagy mérnök szemszögéből tanulmányozzon valaki. Mi éppen csak a felszínt érintettük meg a kérdéssel: hogyan csavarodik az uborka? Mi lehetne ennél egyszerűbb kérdés?! És végül is megtaláltuk ezt az újfajta rugót, amit még senki nem írt le korábban.”

Az uborka indája is csak egy egyenes hajtásként kezdődik, amely addig növekszik, amíg nem talál valamit, amihez csatlakozni tud. Azután mindkét végét rögzíti, majd egy balmenetes és egy jobbmenetes hélix mentén növekszik tovább, amelyek középtájon a kiforgatás vagy „perversion” területén csatlakoznak. (A csavaroás irányának változási pontjára vonatkozó feltűnően viktoriánus hangzatú angol kifejezés még Darwintól származik.)

Az olyan kúszónövények esetében, mint az uborka, az édes borsó vagy a borszőlő, a kacs-csavarodás jól ismert jelenség a botanikusok és kertészek körében, hiszen így válik lehetővé, hogy a növény más struktúrákhoz, például fákhoz vagy rácsokhoz rögzítse magát és felkapaszkodjon a napsütésbe. Ugyanakkor a csavarodás úgy biológiai, mint fizikai mechanizmusa rejtély maradt, ha szöveti, vagy sejtszinten vizsgáljuk a kérdést.
„Csavar nélküli rugót könnyű készíteni például telefonzsinórból” – mondja Gerbode – „de a telefonzsinórt a két végén széthúzva, az egy egyenes szalaggá válik. Az uborka kacsban az a különös, hogy ha meghúzzuk a végeket, csak túltekeredik, további fordulatokat adva mindkét tekercshez.”

Hogy viselkedés mechanizmusát megértsék, Gerbode és harvardi munkatársai közelebbről is megvizsgálták az indát alkotó sejteket és belső szöveteket. Egy rostos szalag fut végig a kacs teljes hosszában, amely cérna-szerű, úgynevezett kocsonyás szálakból (gelatinous fiber, g-fiber) épül fel. A mindössze két sejtsor vastag szalag biztosítja a hélix megformálásához szükséges erőt. A kutatók úgy gondolták, ha a sejtek az ilyen szalag egyik oldalán összehúzódnának, az a szalagot meghajlásra és feltekeredésre késztetné.

Gerbode és szerzőtársa Joshua Puzey egy szilikon modellel igyekezett rekonstruálni a szalagot. Egy elasztikus szilikon lemezt feszítettek ki, végeinél rögzítve, majd vékony szilikon-tömítéssel vonták be a felszínét. Ahogy a tömítés szilárdult, egy vékony sávot vágtak ki a lemezből, mindkét végénél tartva és figyelve, ahogy a szemük előtt tekeredik egy pár tökéletes hélixszé. Amikor azonban kihúzták a végeket, a csavar a várakozásoktól eltérően egyszerűen széttekeredett és a továbbiakban nem formált újabb csavarulatokat. Mint kiderült, a megoldás kulcsa a g-fiber sejtek belső szerkezetében található. Az ilyen sejteket alaposan tanulmányozták már fákban; hiszen egy igen különleges felépítésű sejtfal típusnak köszönhetően egyaránt képesek összehúzódásra vagy megnyúlásra.

„Úgy gondoljuk, a kacs belső sejtsora magasabb lignin tartalommal rendelkezik. Ez egy olyan ragacsos anyag, amely a sejtfalnak keménységet ad, a cellulóz mikrofibrillumokat együtt tartja.” – magyarázza Puzey. „Ennek a keménységnek valahogyan összefüggésben kell lennie a tekeredéssel.”

Az elméletet bizonyítandó, Gerbode és Puzey a szilikon modell egyik oldalára egy szövet-szalagot ragasztottak, másik oldalára rézdrótot. És végre, a szilikon csík túltekeredett hélix-párrá formálódott, épp úgy, mint az uborka indája.
A struktúra, amelyre rábukkantak, egy olyan rugó, amely két összekapcsolódott, ellentétes forgásirányú hélixből áll, mindkettőnél a csavarási merevségnél (twisting stiffness) magasabb hajlítási merevséggel (bending stiffness). Más szavakkal, ehhez a különleges struktúra anyagának lehetővé kell tenni, hogy a rugó könnyebben forduljon oldalra, mintsem hogy megváltoztassa görbületét. A Mahadevan és szerzőtársa, Andrew McCormick által fejlesztett matematikai modellel a csapat képes volt teljes egészében megérteni a paramétereket, és összegezni egy egyszerű törvényt az ilyen rugók tervezésére.

A kutatás utolsó állomása a biológiai következtetések levonása volt. A szalag-rost elkülönítésével (kivonásával) az uborka indájából, Mahadevan csapata már rámutatott, mekkora szerepet játszik a nedvesség a rugó viselkedésében. Az elkülönített rostszál kiszáradásával egy időben csavarodott egyre szorosabbra, miközben szilárdsága egyre növekedett. A ligninről ismert hidrofób, vízlepergető tulajdonsága. Sőt mi több, Mahadevan csapata egyaránt mérte a fiatal és idősebb indák mechanikai válaszát, miszerint az idősebb rostszálak jóval nehezebben húzhatók szét. Az eredményt az elmélet felállításán felül számítógépes szimulációval is magyarázták.

Noha a csapat evolúciós nézőpontból egyelőre nem vizsgálta a kérdést, azt feltételezik, hogy az érett tekeredési struktúra adja meg a kúszónövény számára az éppen megfelelő mértékű flexibilitást. „Hiszen a növénynek egy szép, erős, jól biztosított kapcsolódásra van szüksége, viszont nem akar túl szoros lenni vagy felpattanni.” – magyarázza Gerbode. „Egy kicsit rugalmasnak kell lennie, ha fúj a szél vagy egy állat keresztül csörtet rajta, akkor sem törik el. Erre az egyik lehetőség, hogy ezzel a túltekeredéssel a növény képes alkalmazkodni a kisebb mozgásokhoz, ám ha valami komolyabb dolog történik, képes nagyon keménnyé válni és így megvédeni magát.”
Hogy további vizsgálatokat végezhessenek a kacs morfológiájának evolúciós megjelenésével kapcsolatban, a kutatóknak számos fajban kell vizsgálniuk a csavarokat és képesnek kell lenniük felrajzolni azok tulajdonság evolúciós történetét. Mahadevan szerint egy ilyen projekt fontos ökológiai eredményeket is hozhatna.

„A kacs alkalmazásának előnye, hogy a növény megspórolja a támasztó struktúrák, mint a fa vagy az ágak kialakításához szükséges energiát. Hátránya, hogy éppen a támaszték igénye miatt mindenképpen más növények jelenlététől függ. Tehát a kacs egy adaptáció, amely főként olyan környezetben alakul ki, ami tele van támaszként szolgáló vegetációval és ahol a forrásokért való verseny igen erős.

Az igazi kérdés az marad, mennyire nehéz egy ilyen kacs-szerű megoldást evolúciósan kialakítani. Most, hogy a természet már elvégezte a munka nehezét, Mahadevan elképzelése szerint a csavar előnyeinek megértése hasznos lehet a technológia számára is, de sietve hozzáteszi, hogy ezt a munkát tisztán a kíváncsiság vezette, kigondolt végtermék nélkül. „Ez bárhol jól jöhet, ahol szükség van egy hangolható mechanikai válasszal rendelkező rugóra” – mondja.

2012. szeptember 10.

Forrás:
SEAS, Kép


Király Kata

Cikk ajánlása » email:
Hozzászólás írása
Hozzászólás
 

Értékelések száma: 5, Cikk értéke (1-10):


Értékelje ezt a cikket! 


Hirdetés
Email cím:
Jelszó:

Regisztráció »
Elfelejtett jelszó »
Portálunk oldalai megfelelnek az egészségügyi információk megbízhatóságát és hitelességét garantáló HONcode előírásainak. Ezt: itt ellenőrizheti
Portálunk oldalai megfelelnek az egészségügyi információk megbízhatóságát és hitelességét garantáló HONcode előírásainak. Ezt:
itt ellenőrizheti
.
Oldal ajánlása (email):
Az ajánlót küldi (név):
Hirdetés