Группа ученых-физиков провела новаторское исследование, раскрывающее механические принципы, лежащие в основе формирования уникальной формы розы во время цветения. Результаты их работы, опубликованные в журнале Science, проливают свет на ранее неизученные аспекты роста цветка, демонстрируя, как геометрические и физические ограничения определяют его характерные завитки и острые края.
Трехсторонний подход к изучению роста роз
Для понимания механизмов, управляющих формой розы, исследователи применили комплексную методологию, включающую теоретический анализ, компьютерное моделирование и физические эксперименты.
1. Теоретический анализ позволил выявить ключевые геометрические и механические факторы, влияющие на развитие лепестков. Ученые сосредоточились на том, как внутренние напряжения и деформации в растущем цветке приводят к формированию его сложной структуры.
2. Компьютерное моделирование использовалось для симуляции роста цветка, учитывая различные сценарии распределения напряжений. Моделирование показало, как лепестки реагируют на механические ограничения, формируя характерные завитки и острые грани.
3. Физические эксперименты с гибкими пластиковыми листами подтвердили теоретические выводы. Эти искусственные аналоги лепестков продемонстрировали, как неоднородный рост материала приводит к образованию структур, напоминающих природные формы розы.
Ключевым открытием исследования стало влияние несовместимости Майнарди-Кодацци-Петерсона (МКП) на форму лепестков. Этот эффект возникает, когда геометрические условия совместимости на поверхности материала нарушаются, что приводит к возникновению внутренних напряжений. В случае розы это проявляется в том, что лепестки не могут равномерно изгибаться, как в идеальном случае (например, в форме плоской тарелки). Вместо этого они вынуждены формировать несколько завитков, разделенных острыми выступами.
По мере роста цветка и увеличения числа лепестков напряжения усиливаются, что приводит к более выраженным структурным особенностям — таким как плотные спирали и резкие изгибы, характерные для роз.
Уникальность роз среди других цветов
Исследователи подчеркивают, что розы отличаются от большинства цветов, которые в основном подвержены несовместимости Гаусса. В последнем случае напряжения приводят к более мягким, волнистым узорам без резких краев. У роз же преобладает несовместимость МКП, что объясняет их сложную, многослойную структуру с острыми гранями.
Авторы работы предполагают, что их открытия могут быть полезны в материаловедении, особенно в разработке материалов, способных изменять свою форму в ответ на внешние воздействия. Понимание того, как природные системы (такие как лепестки роз) справляются с механическими напряжениями, может вдохновить создание новых адаптивных структур для мягкой робототехники, биомедицинских устройств и архитектуры.
Это исследование впервые системно объясняет, как механические и геометрические факторы определяют уникальную форму розы. Оно не только углубляет понимание биологических процессов роста, но и открывает новые перспективы для инженерных приложений, где управление деформациями материала играет ключевую роль. Работа демонстрирует, как физика и биология могут взаимодействовать, раскрывая удивительные механизмы природы.
Ранее исследование, проведенное учеными из Пекинского университета лесного хозяйства, раскрыло эволюцию роз, их происхождение и пути одомашнивания. Геномный анализ 205 образцов, охватывающих более 80 видов роз, позволил реконструировать предковые черты этого растения и пересмотреть некоторые устоявшиеся представления. Реконструкция показала, что общий предок современных роз был желтым, имел один ряд лепестков (простые, немахровые цветки) и листья, разделенные на семь листочков.