Thời Gian Fu-shuang Li, một nhà hóa sinh và nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Whitehead ở Cambridge, Massachusetts, cần một ít phấn hoa cho nghiên cứu của mình, anh ấy biết phải đi đâu. Mỗi mùa xuân, những cây thông nhựa bao quanh Hồ Walden ở Concord lại tung ra những đám mây phấn hoa vàng bao phủ mặt nước và tụ lại thành những vòng xoáy thiên hà trên bờ. Henry David Thoreau, người đã sống hai năm bên cạnh cái ao vào những năm 1840, đã kết thúc câu chuyện nổi tiếng của mình về trải nghiệm này bằng cách mô tả rất nhiều phấn hoa, “bạn có thể thu thập được cả thùng.”
Cúi mình ở bờ ao trong chiếc áo hoodie đen và quần thể thao, Li nhúng vào một ống nghiệm, hút ra vài trăm ml nước, chứa đầy phấn hoa và bất cứ thứ gì khác đang phát triển trong đó. Nó không phải là một thùng chất đầy, nhưng nó là quá đủ cho những nỗ lực của Li trong việc nghiên cứu cấu trúc phân tử của lớp vỏ ngoài của phấn hoa. Được gọi là sporopollenin, vật liệu tạo nên lớp vỏ cứng đến nỗi đôi khi nó được gọi là viên kim cương của thế giới thực vật.
Trong hơn một thế kỷ, các nhà khoa học đã cố gắng tìm hiểu cơ sở hóa học tạo nên sức mạnh vô song của sporopollenin. Sporopollenin bảo vệ DNA trong phấn hoa và bào tử khỏi ánh sáng, nóng, lạnh và hút ẩm. Không có nó, thực vật sẽ không thể sống trên cạn. Nhưng tính dẻo dai của sporopollenin khiến nó trở nên khó nghiên cứu, thậm chí hàng thập kỷ sau khi cấu trúc phân tử của cellulose, lignin và các polyme thực vật cơ bản khác vẫn chưa được giải đáp. Li cho biết: “Tự nhiên đã tiến hóa sporopollenin để chống lại bất kỳ cuộc tấn công nào. “Bao gồm cả các nhà khoa học.”
Tuy nhiên, gần đây, khả năng phòng vệ của sporopollenin có thể đã bị vượt qua. Năm 2018, Li và các nhà nghiên cứu khác tại Whitehead, dẫn đầu bởi nhà sinh học thực vật Jing-Ke Weng, đã công bố cấu trúc hoàn chỉnh đầu tiên của sporopollenin. Công việc tiếp theo của nhóm, một số chưa được công bố, đã cung cấp thêm chi tiết về cách các nhóm thực vật khác nhau điều chỉnh cấu trúc đó để đáp ứng tốt hơn nhu cầu của chúng. Cấu trúc đề xuất của họ và quan điểm cải tiến về sporopollenin mà nó mang lại không phải là không gây tranh cãi, nhưng nó đã làm rõ vai trò thiết yếu của phân tử này trong việc giúp thực vật chinh phục đất đai.
Bí ẩn trơ
Tất cả các cây có hạt đều tạo phấn hoa; thực vật trên cạn khác, chẳng hạn như rêu, tạo ra bào tử. Mang theo một nửa thông tin di truyền mà thực vật cần để sinh sản, phấn hoa và bào tử di chuyển trong môi trường nhờ gió hoặc trên động vật hữu ích, để đến một cây khác cùng loài và thụ tinh cho tế bào trứng của nó. Nhưng trên đường đi, phấn hoa và bào tử phải đối mặt với những mối nguy hiểm từ mất nước đến tia cực tím của mặt trời đến côn trùng đói. Kể từ khi thực vật lần đầu tiên được mua trên đất liền vào khoảng 470 triệu năm trước, việc giữ thông tin di truyền trong phấn hoa và bào tử an toàn trong hành trình thụ tinh của chúng là cực kỳ quan trọng.
Chiến lược chính mà thực vật sử dụng để bảo vệ DNA đó là bọc nó trong một lớp vỏ sporopollenin chuyên biệt, không thấm vào các nguyên tố và nằm trong số những vật liệu cứng nhất được tạo ra bởi bất kỳ sinh vật sống nào. Nó đã được tìm thấy nguyên vẹn trong những tảng đá nửa tỷ năm tuổi. Một giấy 2016 phát hiện ra rằng do tính bền vững của sporopollenin, các bào tử duy trì sự ổn định của chúng trong đe kim cương ở áp suất 10 gigapascal, hay 725 tấn trên mỗi inch vuông.
Các nhà nghiên cứu đã biết và thắc mắc về sporopollenin ít nhất là từ năm 1814. Họ quan sát thấy rằng ngay cả sau khi phần còn lại của hạt phấn hoa hoặc bào tử bị phân hủy về mặt hóa học, một chất lạ vẫn luôn tồn tại. Trong hầu hết thế kỷ tiếp theo, những người nghiên cứu nó trong bào tử và phấn hoa đã làm việc riêng biệt, chỉ gọi nó là sporonin hoặc là phấn hoa. Nó được đặt tên là sporopollenin vào năm 1931 để xoa dịu cả hai cộng đồng.
Trong nhiều thập kỷ sau đó, kiến thức về phân tử phần lớn dừng lại ở cái tên. Các nhà nghiên cứu nhận ra rằng sporopollenin có thể là chìa khóa để hiểu cách thực vật chinh phục gần như mọi môi trường sống trên Trái đất và họ mơ ước sử dụng vật liệu này cho mọi thứ, từ phủ vỏ tàu đến bảo vệ các protein dễ vỡ trong vắc-xin uống. Nhưng việc nắm được cấu trúc và thành phần hóa học của sporopollenin là điều kiện tiên quyết cho bất kỳ công việc tiếp theo nào, và sporopollenin đã làm thất vọng mọi nỗ lực.
Các nhà hóa học thường xác định cấu trúc của một phân tử phức tạp bằng cách chia nhỏ nó thành các phần cấu thành của nó, tìm ra cấu trúc của chúng, sau đó ghép chúng lại với nhau. Nhưng sporopollenin quá trơ để các tác nhân hóa học thông thường có thể tiêu hóa nó. Bắt đầu từ những năm 1960, các phương pháp sinh hóa mới và phép đo khối phổ đã đạt được một số tiến bộ về cấu trúc và thành phần hóa học, và các nhà sinh học sau này thậm chí còn suy ra một số chi tiết từ kiến thức về gen và quá trình enzym tổng hợp sporopollenin.
Tuy nhiên, không phương pháp nào trong số này có thể cung cấp một bức tranh đầy đủ về phân tử. Sporopollenin dường như có hai xương sống song song được tạo thành từ các phân tử gọi là polyketide, không giống như các xương sống đường trong chuỗi xoắn kép của DNA. Những xương sống này dường như được kết nối bằng một loạt các liên kết thuộc các loại khác nhau. Nhưng bản phác thảo này chưa hoàn chỉnh và một số phát hiện từ các phương pháp sinh hóa và di truyền mâu thuẫn với nhau.
“Điều duy nhất mà mọi người nhất trí là công thức thực nghiệm về thành phần của carbon, hydro, oxy,” ông nói Joseph Banoub, giáo sư hóa học và hóa sinh tại Đại học Memorial University of Newfoundland ở Canada.
Sân thông hoàn hảo
Li bắt đầu nghiên cứu về sporopollenin ngay sau khi anh gia nhập phòng thí nghiệm của Weng tại Viện Whitehead với tư cách là một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ vào năm 2014. Trong khu phố Kendall của Quảng trường Cambridge, nơi nghiên cứu y sinh là nỗi ám ảnh chính, phòng thí nghiệm là một trong số ít nơi mọi người nghiên cứu về thực vật. với trọng tâm nghiên cứu về thiên hà của các phân tử thực vật vẫn chưa bị biến đổi.
Sporopollenin là một thách thức không thể cưỡng lại đối với Li. Chức năng của nó đã được biết rõ, và các gen để tạo ra nó có trong mọi cây sản xuất hạt giống và bào tử, điều này ngụ ý rằng sporopollenin là một sự thích nghi cơ bản cho phép thực vật sống trên cạn ngay từ khi chúng bắt đầu thoát khỏi đại dương. (Một số loài tảo cũng tạo ra một chất giống như sporopollenin, điều này cho thấy rằng thực vật trên cạn đã thích nghi với quá trình sinh tổng hợp phân tử đó trong quá trình tiến hóa của chúng.) Tuy nhiên, hóa học đằng sau khả năng đó vẫn chưa rõ ràng.
Sẽ thật thi vị nếu công trình ban đầu của Li về sporopollenin sử dụng phấn hoa thu được từ vùng nước của Walden Pond. Nhưng sự tiện lợi đã lấn át sự lãng mạn: Phấn hoa mà nhóm của ông nghiên cứu ban đầu được đặt hàng từ Amazon. (Phấn hoa từ cây thông nhựa, nơi sản xuất ra nhiều thứ, được bán rộng rãi như một chất bổ sung sức khỏe.) Phần còn lại đến từ Cape Cod.
Trong nhiều tháng, Li và các cộng tác viên của ông đã tiến hành thử nghiệm thử và sai đối với các hợp chất có thể làm suy giảm các polyme sinh học cứng rắn khác. Cuối cùng, họ đã phát triển một quy trình gồm nhiều bước mới có thể lấy các mẫu phấn hoa, nghiền nát chúng trong máy nghiền bi và bẻ gãy các phân tử sporopollenin chứa trong đó bằng phương pháp hóa học. Một nửa của mỗi phân tử bị phá vỡ thành sáu mảnh riêng biệt mà sau đó có thể được đặc trưng bằng phép đo khối phổ.
Nửa còn lại của phân tử, mà họ gọi là nhóm R (nghĩa là “chất cứng đầu”), chỉ bị phá vỡ khi trộn với một chất hòa tan khác. Họ có thể xem được một phần R theo cách này, nhưng quá trình này đã làm suy giảm các đặc điểm khác của phân tử, vì vậy nhóm của Li đã sử dụng một công nghệ kỳ lạ hơn, quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn, để mô tả đặc điểm của nó.
Hoa đã tạo nên sự khác biệt
Thành quả của công việc đó, một tờ giấy xuất bản năm Cây Thiên nhiên vào tháng 2018 năm XNUMX, đã đề xuất cấu trúc phân tử hoàn chỉnh nhất của sporopollenin cho đến nay.
Trong cuộc trò chuyện, Li đã dùng tay để mô tả hình dạng phức tạp của cấu trúc. Bằng ngón tay cái và ngón trỏ của mình, anh ấy đã chỉ ra cách các phân tử thơm treo trên xương sống theo hình chữ L xen kẽ. Anh ấy đã chứng minh cách xương sống được liên kết với các liên kết chéo bằng cách chỉ một bàn tay dẹt vào bên kia theo một góc, như thể đang tham gia vào một hình thức cầu nguyện kỳ lạ nào đó. Các đơn vị cơ bản này liên kết với nhau để tạo thành lớp vỏ ngoài hoàn chỉnh, có hình dạng hoàn toàn khác nhau ở các loài thực vật khác nhau, mặc dù các tiểu đơn vị phân tử cơ bản về cơ bản là giống nhau.
Cấu trúc này đã chứng minh cho ý tưởng rằng độ cứng của sporopollenin phát sinh từ các mối liên kết bện, đa dạng giữa các xương sống. Các liên kết este và ether này tương ứng có khả năng chống lại các điều kiện cơ bản và axit; họ cùng nhau chống lại cả hai. Cấu trúc mà nhóm của Li đề xuất cũng bao gồm một số phân tử thơm được biết là có khả năng chống lại tia cực tím, giải thích cho khả năng bảo vệ DNA của sporopollenin khỏi các nguyên tố.
Weng đã viết trong một email gửi tới: “Nếu không có những đổi mới về trao đổi chất này, thực vật sẽ không thể di chuyển từ nước lên đất liền ngay từ đầu. lượng tử.
Gần đây, Li và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng phương pháp của họ để mô tả đặc điểm của sporopollenin từ hơn 100 loài thực vật đa dạng trên cạn được thu thập từ các vườn thực vật xung quanh vùng đông bắc Hoa Kỳ. Theo Li, người đang chuẩn bị đệ trình kết quả nghiên cứu để công bố, cấu trúc của sporopollenin khác nhau giữa các loại thực vật theo một mô hình gây tò mò.
Họ phát hiện ra rằng thực vật hạt trần, nhóm thực vật trên cạn bao gồm cây mè và cây lá kim như cây thông, và cái gọi là thực vật ở vùng đất thấp hơn như rêu và dương xỉ có xu hướng có sporopollenin dài và tương tự nhau. Điều này có ý nghĩa bởi vì những cây này phát tán phấn hoa của chúng theo gió; chúng cần sporopollenin chuỗi dài để bảo vệ nó.
Nhưng đối với thực vật hạt kín, hoặc thực vật có hoa, tình hình phức tạp hơn. Hoa của chúng che phủ phấn hoa khỏi ánh nắng mặt trời và khô hạn, đồng thời côn trùng di chuyển phấn hoa từ hoa này sang hoa khác một cách hiệu quả, giảm thiểu khả năng tiếp xúc với các rủi ro khác. Do đó, thực vật hạt kín không cần sporopollenin của chúng mạnh đồng đều như vậy.
Li cho biết, việc tạo ra sporopollenin chuỗi dài là một quá trình tốn nhiều năng lượng, vì vậy “khi hoa tiến hóa, chúng không muốn sản xuất sporopollenin giống như cây thông nữa”. Theo Li và Weng, sự khác biệt đáng kể dường như đã phát triển giữa các sporopollenin được tạo ra bởi hai loại thực vật hạt kín, thực vật một lá mầm và thực vật hai lá mầm, khác nhau về cấu trúc của phôi, hệ mạch, thân, rễ và hoa của chúng.
Tất nhiên, sự khác biệt không phải là tuyệt đối. Li cho biết một số loài thực vật có hoa sản sinh ra sporopollenin với cấu trúc giống như cây thông. “Có thể nếu chúng ta có thêm 6 triệu năm nữa, chúng có thể mất chức năng của những thứ đó,” hoặc có thể có những kiểm tra và cân bằng sinh thái khác đang diễn ra để bảo tồn cấu trúc sporopollenin đó đối với một số nhóm thực vật.
Li nói: “Tiến hóa không phải là một đường thẳng. “Giống như những con cá voi. Tại một thời điểm họ sống trên đất liền; bây giờ họ sống trong đại dương. Tuy nhiên, cá voi vẫn có một số đặc điểm động vật trên cạn. Có lẽ một số phấn hoa còn giữ lại dấu vết lỗi thời của lịch sử của chính chúng.
Polyme bí ẩn
Các nhà nghiên cứu thực vật khác đồng ý rằng công trình cấu trúc của Li và Weng về sporopollenin đã cải thiện kiến thức của chúng ta về phân tử này. Nhưng không phải tất cả họ đều bị thuyết phục rằng đề xuất của họ là đúng hoặc nó kết thúc cuộc tìm kiếm kéo dài hàng thế kỷ về cấu trúc của sporopollenin.
"Nó rõ ràng hơn nhiều so với trước đây," nói Trung Nam Dương, một nhà sinh vật học nghiên cứu về sporopollenin tại Đại học Sư phạm Thượng Hải. “Nhưng nó cần phải được xác minh.” Ông cho biết Li và các đồng nghiệp của ông vẫn phải xác định các gen chịu trách nhiệm về các enzym cần thiết để tạo ra một số tính năng nhất định của sporopollenin thông.
A 2020 nghiên cứu nhằm mục đích “làm sáng tỏ và làm sáng tỏ” cấu trúc phân tử của sporopollenin đặt ra một thách thức trực tiếp hơn. Sử dụng một loạt các phương pháp và nghiên cứu về sporopollenin từ rêu câu lạc bộ chứ không phải từ cây thông, nhóm của Banoub tại Đại học Memorial đã đi đến một cấu trúc khác biệt theo một số cách quan trọng so với cấu trúc do Li và Weng đề xuất. Quan trọng nhất, Banoub nói, “Chúng tôi đã chứng minh rằng không có hợp chất thơm nào trong sporopollenin.” Ông cho rằng sự chênh lệch này có thể được giải thích bằng sự khác biệt giữa sporopollenin trong rêu thông và rêu câu lạc bộ.
“Quan điểm cá nhân của tôi là chúng không đúng,” Li nói, nhưng anh ấy không muốn bình luận gì thêm cho đến khi một số kết quả liên quan từ phòng thí nghiệm của anh ấy sẵn sàng để công bố.
Teagen Quilichini, một nhà sinh vật học thực vật tại Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Canada, nhận xét: “Đây vẫn là một loại polymer khá bí ẩn. nghiên cứu sporopollenin, trong một email. 'Bất chấp những gì một số báo cáo đề xuất.
Khó khăn nhưng vẫn ăn được?
Bất chấp những tranh cãi về cấu trúc của chúng đối với sporopollenin, Li và những người khác trong phòng thí nghiệm Weng đã chuyển sang một câu hỏi tiến hóa khác: Liệu tự nhiên đã tìm ra cách tách rời vật chất gần như không thể phá hủy này mà nó kết hợp với nhau hay chưa?
Khi đi dạo quanh Hồ Walden để tìm kiếm các lối vào phủ phấn hoa khác, Li đã so sánh sporopollenin với lignin, loại polymer thực vật làm chắc gỗ và vỏ cây. Sau khi thực vật thân gỗ phát triển lần đầu tiên khoảng 360 triệu năm trước, hồ sơ địa chất cho thấy có rất nhiều lignin hóa thạch trong các tầng trong hàng chục triệu năm. Rồi đột nhiên khoảng 300 triệu năm trước, lignin biến mất. Sự biến mất của nó đánh dấu thời điểm một loại nấm có tên là thối trắng phát triển các enzym có khả năng phân hủy lignin và ăn phần lớn của nó trước khi nó có thể hóa thạch.
Li lập luận rằng Sporopollenin cũng phải có một loại nấm hoặc vi khuẩn khác có khả năng phá vỡ nó. Nếu không chúng ta sẽ chìm đắm trong những thứ đó. Tính toán chi tiết của Li là 100 triệu tấn sporopollenin được sản xuất trong rừng mỗi năm. Điều đó thậm chí không tính đến sporopollenin do cỏ tạo ra. Nếu không có gì ăn nó, tất cả sẽ đi đâu?
Đây là lý do tại sao, với tư cách là nguồn cung cấp mẫu phấn hoa mới nhất của mình, Li đã chọn từ bỏ Amazon Prime để có một ngày ở Walden Pond. Các quan sát của nhóm của ông cho thấy rằng một số vi sinh vật phát triển trong đĩa petri có thể sống sót khi không được cho ăn gì ngoài sporopollenin và nitơ. Các mẫu từ Walden, nơi chứa đầy các cộng đồng vi sinh vật tự nhiên trong hồ, sẽ giúp Li xác định xem liệu các quần thể nấm và vi khuẩn khác trong tự nhiên có thể mở khóa các chất dinh dưỡng trong các phân tử dường như không thể phá vỡ của sporopollenin hay không.
Khi chúng tôi ăn nhẹ những thanh rong biển và granola bên bờ ao, thật dễ dàng để nhìn thấy toàn bộ tình hình từ quan điểm của nấm. Thiên nhiên ghét lãng phí một bữa ăn - kể cả một bữa ăn quá khó nhai.
