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与植物对话——植物仿生学的应用

已有 5835 次阅读 2016-11-2 16:58 |系统分类:科普集锦

来源:每日科学                      编译:王晓阳

你在家里可能养过狗,经常和它接触后你会觉得它似乎很能理解你的感受和情绪。的确是这样的,你和它接触越多,你对它倾注的感情越多,你会发现它越聪明,越能走进你的心里。可叫你去和花花草草交心,你可能会有些失望,因为结果要么是它不理解你,要么是你想象着它能理解你。毕竟,植物的心不是肉做的,因此王阳明格竹子出个所以然来

难道植物和人之间存在着不可跨越的交流鸿沟吗?不然,只要你在讲走心的同时还耍点手段,要达到交流的目的是没有问题的。今天,我就来和大家吹吹这科学家“泡”植物的手段。

菠菜(spinach)是大家熟悉的一种蔬菜。它植株不高,但叶大汁多,有着发达的脉管系统和强劲的光合作用能力,对水分和各种养料的吸收能力极强,给长势不好的菠菜加点合适的肥料,它立马焕发生机。正因为如此,我们可以说菠菜对环境条件的敏感对很高。根据这个特点,我们可以通过监测菠菜代谢过程中各种物质的变化情况来计算各种环境因子的情况,比如土壤和空气的湿度,土壤中某些物质的含量,大气中某些化学物质的含量;同时,对它的代谢过程的了解也有助于我们有意识地改变它的代谢方向,达到增产提质的目的。不是吗?

近日,来自麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的研究者们利用纳米技术开发了这样一个菠菜纳米仿生系统(spinach nanobiotic system),这个系统可以检测空气中的硝基芳香爆炸物(nitroaramatic expolsives)的含量,硝基芳香爆炸物是地雷(landmine)和多种爆炸物里面的成分,因此,这个系统对提供了一种监测环境、及早发现危险的方法。我们知道,现在市面上有各种环境监测(environmental monitoring)的仪器,这个菠菜纳米仿生系统除了利用植物以外还有什么厉害的地方吗?有,这得从它的设计和前景说开去。

这个系统是这样做成的,研究者往菠菜叶片的基部,也就是茎端注入一些纳米颗粒(nanoparticle,这些颗粒是存在于溶液中的,它们非常地小,可以随着菠菜的代谢而被运送到叶片的细胞,特别是光合作用非常强的叶肉细胞里),每一个纳米颗粒都是由一层聚合物包裹着一个碳纳米管(carbon nanotube)而成的,这层聚合物可以与你要检测的物质发生反应,用激光去照射这些起反应的叶片,叶片就能发出近红外的荧光(near-infrared fluorescent),荧光的强弱可以被一个外置的红外线摄像机(infrared camera)所捕捉,而这个红外线摄像机连接在类似于智能手机一样的计算机上(甚至你可以拿你的手机来操作,只需要把红外过滤功能给关掉就行了),通过软件即可根据荧光的强弱算出被检测物的含量。所以,你只需要把聚合物换一下就可以监测你想要监测的其他物质。你可能会问,碳纳米管是什么东西?碳纳米管是一种非常小的纳米材料,在极大的放大倍数下它才呈3维的管状结构,而你买过来看到的是极细的粉末,可以溶成液体而注入进菠菜中,它也会发出荧光,所以研究者也给菠菜注射没有聚合物的碳纳米管作为一个参照。

那好,这个研究很容易被人理解,看起来也不是那么高妙,无非就是纳米技术和无线通信技术的应用,可它却:

  1. 充分利用了植物对环境的敏感性,改进了人类监测环境的方法;

  2. 沟通了人与植物,使得植物的代谢情况可以被实时地反应出来,是研究植物生理学的方法(我认为这一点比它对环境监测的贡献还大);

  3. 是生物学、物理学和通信技术的一次融合,又一次证明了量子力学的可靠性。

      此外,似乎有这样一种现象:人类研究自然通常会往两个方向上走,一个是宏观方向,如宇宙的起源与演变,人类的进化等,另一个是微观方向,如分子、原子、质子乃至夸克的结构和运动方式。纳米(1nm=10-9m)科学,正如它的名字所暗示的,主要是在微观层面上做文章。在微观层面,很多物质的性质都发生了极大的改变,一个简单的例子是,大家知道二噁英是塑料燃烧过程中产生的一类致癌物质,它主要由CHO三种元素(有些还含有Cl)构成,而构成人体的最主要的元素就是CHON,也就是说,如果把人和二噁英打散了,大家都差不多,这就是微观层面的东西——无所谓好坏,无所谓正邪。纳米科学是对物质进行微观的研究,做成尺寸非常小的物质(相当于回炉重塑),利用这些物质的性质来影响我们所能看到的宏观世界,比如纳米药物和本文所讲的碳纳米管等(不过什么纳米汗蒸我真是没搞明白)。

      所以,宏观和微观是可以相互沟通的,再举一个例子,分子进化学就是用分子(遗传分析)的手段来研究物种的起源和进化,这与通过比较解剖学(人手有五指,鸡脚也有五趾,这在进化上是有联系的)来研究进化是不同的,但目的是一样的,也可以相互佐证。

    参考:

    https://www.sciencedaily.com/releases/2016/11/161101104731.htm




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