Ne zaman Fu Shuang LiMassachusetts, Cambridge'deki Whitehead Enstitüsü'nde biyokimyacı ve araştırma bilimcisi olan , araştırması için biraz polene ihtiyacı vardı, tam olarak nereye gideceğini biliyordu. Her bahar, Concord'daki Walden Pond'u çevreleyen zifiri çam ağaçları, suyu kaplayan ve kıyıya karşı galaktik girdaplar halinde toplanan altın renkli polen bulutları salıyor. 1840'larda göletin yanında iki yıl yaşayan Henry David Thoreau, deneyimle ilgili ünlü öyküsünü o kadar çok polen tanımlayarak kapatıyor: "Bir fıçı dolusu toplayabilirdiniz."
Siyah bir kapüşonlu ve eşofman altında havuzun kenarına çömelmiş olan Li, bir test tüpüne daldırdı ve içinde polen ve içinde büyüyen başka ne varsa yüklü birkaç yüz mililitre su çıkardı. Bir varil dolusu madde olmaktan çok uzaktı, ancak Li'nin polenin dış kabuğunun moleküler yapısını inceleme çabaları için fazlasıyla yeterliydi. Sporopollenin adı verilen kabuğu oluşturan madde o kadar serttir ki bazen bitki dünyasının elması olarak anılır.
Bir yüzyıldan fazla bir süredir bilim adamları, sporopollenin'in eşsiz gücünün kimyasal temelini anlamaya çalıştılar. Sporopollenin, polen ve sporlardaki DNA'yı ışıktan, sıcaktan, soğuktan ve kurumadan korur. Onsuz, bitkiler karada yaşayamazlardı. Ancak sporopollenin'in sertliği, selüloz, lignin ve diğer temel bitki polimerlerinin moleküler yapılarının anlaşılmasından on yıllar sonra bile araştırma yapmayı zorlaştırdı. Li, "Doğa, sporopollenin'i herhangi bir saldırıya direnmek için geliştirdi" dedi. "Bilim adamları dahil."
Ancak son zamanlarda, sporopollenin'in savunması aşılmış olabilir. 2018 yılında, bitki biyoloğu tarafından yönetilen Whitehead'deki Li ve diğer araştırmacılar Jing-Ke Weng, sporopollenin ilk tam yapısını yayınladı. Bazıları henüz yayınlanmayan ekibin sonraki çalışmaları, çeşitli bitki gruplarının ihtiyaçlarını daha iyi karşılamak için bu yapıya nasıl ince ayar yaptığı hakkında daha fazla ayrıntı verdi. Önerilen yapıları ve sunduğu gelişmiş sporopollenin görüşü tartışmasız değildir, ancak molekülün bitkilerin toprağı fethetmesine yardımcı olmadaki temel rolünü netleştirmiştir.
Eylemsiz Gizem
Tüm tohumlama bitkileri polen yapar; yosun gibi diğer kara bitkileri spor üretir. Bitkilerin üremek için ihtiyaç duyduğu genetik bilginin yarısını taşıyan polen ve sporlar, kendi türünden başka bir bitkiye ulaşmak ve onun yumurta hücresini döllemek için rüzgarla veya yardımcı bir hayvan üzerinde çevrede dolaşırlar. Ancak yol boyunca, polen ve sporlar, dehidrasyondan güneşin ultraviyole ışınlarına ve aç böceklere kadar uzanan tehlikelerle mücadele etmelidir. Bitkiler yaklaşık 470 milyon yıl önce karada ilk kez satın aldıklarından beri, döllenme yolculukları sırasında polen ve sporlardaki genetik bilgiyi güvende tutmak hayati önem taşıyor.
Bitkilerin bu DNA'yı korumak için uyguladığı ana strateji, onu elementlere karşı dayanıklı ve herhangi bir canlı tarafından üretilen en sert malzemeler arasında bulunan özel bir sporopollenin kabuğuna yerleştirmektir. Yarım milyar yıllık kayalarda bozulmamış halde bulundu. A 2016 kağıt sporopollenin sağlamlığı nedeniyle, sporların elmas örslerde 10 gigapaskal veya inç kare başına 725 ton basınçta stabilitelerini koruduklarını buldu.
Araştırmacılar, sporopollenin hakkında en az 1814'ten beri biliyor ve merak ediyorlardı. Bir polen tanesinin veya sporun geri kalanının kimyasal olarak çözünmesinden sonra bile, her zaman garip bir maddenin kaldığını gözlemlediler. Gelecek yüzyılın çoğu için, onu sporlarda ve polenlerde inceleyenler ayrı ayrı çalıştılar ve ona yalnızca sporonin veya polenin olarak atıfta bulundular. Her iki toplumu da yatıştırmak için 1931'de sporopollenin olarak adlandırıldı.
Bundan sonraki on yıllar boyunca, molekül hakkındaki bilgiler büyük ölçüde isimle sona erdi. Araştırmacılar, sporopollenin'in bitkilerin dünyadaki hemen hemen her habitatı nasıl fethettiğini anlamanın anahtarı olabileceğini fark ettiler ve malzemeyi gemilerin gövdelerini kaplamaktan oral aşılardaki kırılgan proteinleri korumaya kadar her şey için kullanmayı hayal ettiler. Ancak sporopollenin yapısını ve kimyasal bileşimini elde etmek, daha sonraki çalışmalar için bir ön koşuldu ve sporopollenin her türlü çabayı boşa çıkardı.
Kimyagerler genellikle karmaşık bir molekülün yapısını, onu oluşturan parçalara ayırarak, bunların yapısını bularak ve sonra tekrar bir araya getirerek belirlerler. Ancak sporopollenin, olağan kimyasal ajanların onu sindirmesi için çok etkisizdi. 1960'lardan başlayarak, yeni biyokimyasal yöntemler ve kütle spektrometrisi, yapı ve kimyasal bileşim üzerinde bazı ilerlemeler kaydetti ve daha sonra biyologlar, sporopollenin sentezleyen genler ve enzimatik süreçler hakkındaki bilgilerinden bazı ayrıntılar çıkardılar.
Ancak bu yöntemlerin hiçbiri molekülün tam bir resmini veremez. Sporopollenin, DNA'nın çift sarmalındaki şeker omurgalarından farklı olarak, poliketidler adı verilen moleküllerden yapılmış iki paralel omurgaya sahip görünüyordu. Bu omurgalar, farklı tiplerde bir bağlantı örgüsü ile birbirine bağlı görünüyordu. Ancak bu taslak eksikti ve biyokimyasal ve genetik yöntemlerden elde edilen bazı bulgular birbiriyle çelişiyordu.
"Herkesin üzerinde anlaştığı tek şey karbon, hidrojen ve oksijenin bileşimi için ampirik formüldü" dedi. Joseph BanubKanada'daki Memorial University of Newfoundland'da kimya ve biyokimya profesörü olan Dr.
Pitch Çam Mükemmel
Li, 2014'te Whitehead Enstitüsü'ndeki Weng'in laboratuvarına doktora sonrası olarak katıldıktan kısa bir süre sonra sporopollenin üzerinde çalışmaya başladı. Biyomedikal araştırmanın birincil takıntı olduğu Cambridge semtindeki Kendall Meydanı'nda, laboratuvar insanların bitkiler üzerinde çalıştığı birkaç yerden biri. karaktersiz kalan botanik moleküllerin galaksisine odaklanan bir araştırma ile.
Sporopollenin, Li için karşı konulmaz bir meydan okumaydı. İşlevi iyi biliniyordu ve onu yapan genler, tohum ve spor üreten her bitkide bulunuyordu; bu da sporopollenin'in, bitkilerin okyanuslardan kaçışlarının en başında karada yaşamasını sağlayan temel bir adaptasyon olduğunu ima ediyordu. (Bazı alg türleri de sporopollenin benzeri bir madde üretirler, bu da kara bitkilerinin evrimleri sırasında bu molekülün biyosentezini adapte ettiğini gösterir.) Ancak bu yeteneğin arkasındaki kimya bulanık kaldı.
Li'nin sporopollenin üzerindeki ilk çalışması Walden Pond'un sularından toplanan polenleri kullansaydı şiirsel olurdu. Ancak kolaylık, romantizme baskın çıktı: Ekibinin başlangıçta incelediği polen Amazon'dan sipariş edildi. (Malzemeyi bol miktarda üreten zifiri çamdan elde edilen polen, sağlık takviyesi olarak yaygın olarak satılmaktadır.) Geri kalanı Cape Cod'dan geldi.
Li ve işbirlikçileri aylarca diğer sert biyopolimerleri bozabilecek bileşikler üzerinde deneme yanılma testi yaptılar. Sonunda, polen örnekleri alabilen, onları bir bilyeli öğütme makinesinde yumruklayabilen ve içerdiği sporopollenin moleküllerini kimyasal olarak kırabilen yeni bir çok aşamalı süreç geliştirdiler. Her molekülün yarısı, daha sonra kütle spektrometrisi ile karakterize edilebilecek altı ayrı parçaya ayrıldı.
Molekülün, R grubu ("inatçı" anlamına gelir) olarak adlandırdıkları diğer yarısı, ancak başka bir çözücü madde ile karıştırıldığında bozuldu. Bu şekilde R'nin kısmi bir görüntüsünü elde edebilirler, ancak süreç molekülün diğer özelliklerini bozdu, bu yüzden Li'nin grubu onu karakterize etmek için daha egzotik bir teknolojiye, katı hal nükleer manyetik rezonans spektroskopisine başvurdu.
Çiçekler Fark Yarattı
Bu işin meyvesi, Kağıt yayınlanan Doğa Tesisleri Aralık 2018'de sporopollenin bugüne kadarki en eksiksiz moleküler yapısını önerdi.
Konuşma sırasında Li, yapının karmaşık şeklini tanımlamak için ellerini kullandı. Başparmağı ve işaret parmağıyla aromatik moleküllerin değişen L şekillerinde omurgadan nasıl sarktığını gösterdi. Sanki garip bir dua biçimine giriyormuş gibi, düzleştirilmiş bir eli diğerine bir açıyla işaret ederek omurganın çapraz bağlarla nasıl bağlandığını gösterdi. Bu temel birimler, temel moleküler alt birimler temelde benzer olsa da, farklı bitkilerde kökten farklı şekiller alan tam eksin kabuğunu oluşturmak üzere birbirine bağlanır.
Yapı, sporopollenin sertliğinin omurgalar arasındaki çeşitli, örgülü bağlantılardan kaynaklandığı fikrine güven verdi. Bu ester ve eter bağlantıları sırasıyla bazik ve asidik koşullara dirençlidir; birlikte ikisine de direnirler. Li'nin grubunun önerdiği yapı, sporopollenin'in DNA'yı elementlerden koruma yeteneğini açıklayan, ultraviyole ışığa dirençli olduğu bilinen birkaç aromatik molekülü de içeriyordu.
Weng bir e-postada, "Bu metabolik yenilikler olmasaydı, bitkiler ilk etapta sudan karaya göç edemezdi" diye yazdı. Kuantum.
Son zamanlarda, Li ve meslektaşları, kuzeydoğu Amerika Birleşik Devletleri'ndeki botanik bahçelerinden toplanan 100'den fazla çeşitli kara bitki türünden sporopollenin'i karakterize etmek için yöntemlerini kullandılar. Çalışmanın sonuçlarını yayımlanmak üzere sunmaya hazırlanan Li'ye göre, sporopollenin yapısı bitki türleri arasında ilginç bir düzende değişiklik gösteriyor.
Sikadlar ve zift çamı gibi kozalaklı ağaçlar içeren kara bitki grubu olan gymnospermlerin ve yosunlar ve eğrelti otları gibi sözde alt kara bitkilerinin uzun, benzer sporopolleninlere sahip olma eğiliminde olduğunu buldular. Bu mantıklı çünkü bu bitkiler polenlerini rüzgarla ister istemez yayarlar; korumak için uzun zincirli sporopollenine ihtiyaç duyarlar.
Ancak anjiyospermler veya çiçekli bitkiler arasında durum daha karmaşıktır. Çiçekleri polenlerini güneşten ve kurumadan korur ve böcekler poleni çiçekten çiçeğe verimli bir şekilde taşıyarak diğer risklere maruz kalmayı en aza indirir. Sonuç olarak, anjiyospermlerin sporopolleninlerinin tek biçimli olarak sağlam olması gerekmez.
Ve uzun zincirli sporopollenin yapmanın enerji yoğun bir süreç olduğunu söyleyen Li, "çiçekler evrimleştiğinde artık çam benzeri sporopollenin üretmek istemediler" dedi. Li ve Weng'e göre, embriyolarının, damarlarının, gövdelerinin, köklerinin ve çiçeklerinin yapılarında farklılık gösteren iki ana anjiyosperm, monokot ve dikot kategorisi tarafından üretilen sporopolleninler arasında önemli farklılıklar gelişmiş gibi görünmektedir.
Elbette, ayrımlar mutlak değildir. Li, bazı çiçekli bitkilerin çam benzeri bir yapıya sahip sporopollenin ürettiğini söyledi. “Belki bir 6 milyon yılımız daha olsaydı, bunların işlevini kaybedebilirler” veya belki de belirli bitki grupları için bu sporopollenin yapısını koruyan başka ekolojik kontroller ve dengeler var.
“Evrim bir çizgi değildir” dedi Li. "Balinalar gibi. Bir noktada karada yaşıyorlardı; şimdi okyanusta yaşıyorlar.” Yine de balinalar hala bazı kara hayvanı özelliklerine sahiptir. Belki de bazı çiçek polenleri kendi tarihlerinin modası geçmiş izlerini taşır.
Gizemli Polimer
Diğer bitki araştırmacıları, Li ve Weng'in sporopollenin üzerindeki yapısal çalışmasının molekül hakkındaki bilgimizi geliştirdiği konusunda hemfikir. Ancak hepsi, önerilerinin doğru olduğuna veya sporopollenin yapısı için yüzyıllık araştırmayı sonlandırdığına ikna olmuş değiller.
"Eskisinden çok daha netti" dedi. Zhong Nan Yang, Şanghay Normal Üniversitesi'nde sporopollenin okuyan bir biyolog. "Ama doğrulanması gerekiyor." Li ve meslektaşlarının, çam sporopolleninin belirli özelliklerini yapmak için gereken enzimlerden sorumlu genleri belirlemesi gerektiğini söyledi.
A 2020 çalışmada sporopollenin moleküler yapısını “gizlemeyi ve çözmeyi” amaçlayan, daha doğrudan bir meydan okuma oluşturuyordu. Banoub'un Memorial Üniversitesi'ndeki grubu, birçok yöntem kullanarak ve çam yerine kulüp yosunundan elde edilen sporopollenin üzerinde çalışarak, Li ve Weng tarafından önerilenden birkaç önemli yönden farklı olan bir yapıya ulaştı. En önemlisi, Banoub, "Sporopollenin içinde hiçbir aromatik bileşik olmadığını kanıtladık" dedi. Eşitsizliğin, çamdaki sporopollenin ve kulüp yosunu arasındaki farklarla açıklanabileceğini düşünüyor.
“Kişisel görüşüm, doğru olmadıkları yönünde,” dedi Li, ancak laboratuvarından elde edilen bazı ilgili sonuçlar yayınlanmaya hazır olana kadar daha fazla yorum yapmamayı tercih ediyor.
Kanada Ulusal Araştırma Konseyi'nde bitki biyoloğu olan Teagen Quilichini, “Hala oldukça gizemli bir polimer” yorumunu yaptı. çalışılan sporopollenin, bir e-postada. "Bazı raporların öne sürdüğüne rağmen.”
Sert Ama Hala Yenilebilir mi?
Sporopollenin yapıları üzerindeki tartışmalara rağmen, Li ve Weng laboratuvarındaki diğerleri başka bir evrimsel soruya geçtiler: Doğa, bir araya getirdiği bu neredeyse yok edilemez malzemeyi nasıl parçalayacağını buldu mu?
Li, polen kaplı diğer girişleri aramak için Walden Pond'un etrafında dolaşırken, sporopollenin ile ahşabı ve kabuğu güçlendiren bitki polimeri olan lignini karşılaştırdı. Odunsu bitkiler yaklaşık 360 milyon yıl önce evrimleştikten sonra, jeolojik kayıtlar, on milyonlarca yıl boyunca tabakalarda bol miktarda fosilleşmiş lignin olduğunu gösteriyor. Sonra aniden yaklaşık 300 milyon yıl önce lignin yok olur. Ortadan kaybolması, beyaz çürüklük adı verilen bir mantarın, lignini parçalayabilen enzimler geliştirdiği ve fosilleşmeden önce çoğunu yediği anı işaret ediyor.
Li, sporopollenin'in de onu parçalayabilen bir mantar veya başka bir mikroba sahip olması gerektiğini düşündü. Aksi takdirde, eşyaların içinde boğulacaktık. Li'nin arka arkaya yaptığı hesaplamalar, ormanlarda her yıl 100 milyon ton sporopollenin üretildiği yönünde. Bu, otların ürettiği sporopollenin için bile geçerli değil. Hiçbir şey onu yemiyorsa, hepsi nereye gidiyor?
Bu nedenle, en son polen örneğinin kaynağı olarak Li, Walden Pond'da bir gün geçirmek için Amazon Prime'dan vazgeçmeyi seçti. Ekibi tarafından yapılan gözlemler, petri kaplarında yetişen bazı mikroorganizmaların, sporopollenin ve azottan başka bir şeyle beslendiklerinde hayatta kalabileceğini gösteriyor. Doğal olarak göl mikrobiyal topluluklarıyla dolu olan Walden'den alınan örnekler, Li'nin vahşi doğadaki mantar ve diğer mikrop popülasyonlarının, sporopollenin'in görünüşte kırılmaz moleküllerindeki besin maddelerinin kilidini açıp açamayacağını belirlemesine yardımcı olmalıdır.
Göletin kenarında deniz yosunu ve granola barlardan atıştırırken, mantarların bakış açısından tüm durumu görmek kolaydı. Doğa, çiğnemesi çok zor olan bir öğünü bile israf etmekten nefret eder.
