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放大!再放大!原来植物里还有新世界

昆明植物研究所 李涟漪,牛洋,谷志佳,段元文 2019-11-12

  叶子里有什么?花朵里有什么?果实里有什么……凭借肉眼,或许你可以思考出一些答案,但答案并非是完整的。那么用科研成像手段来看看?

  你可以通过光学显微镜扫描电子显微镜摄影审视细微的结构,靠紫外光和红外光摄影洞察更多色彩信息,还可以用X光摄影窥探事物的内部。

  准备好了么?下面跟大院er一起来看这些植物的真面目吧!

  放大!再放大!是粒小小的种子也能被看清 

  光学显微镜几乎是每个生物学实验室的必备品,科研工作者借助显微设备观察样品的细微结构。体式显微镜可观察的对象非常广泛,容易操作,能获得的放大率一般在200倍以内。  

1. 褐色沙拐枣 Calligonum colubrinum(果实,光学显微)  

 

沙拐枣属植物多生长在戈壁、荒漠环境,果实的特殊形态令其容易随风翻滚,得以传播。 

2. 剑叶虾脊兰 Calanthe davidii(种子,光学显微)  

 

兰科植物的种子是种子植物中最小的,它们像灰尘般众多而微小。只有很少幸运的种子才能成长开花。 

3. 阔叶猕猴桃 Actinidia latifolia(种子,光学显微) 

 

野生的猕猴桃,主要通过鸟类和动物传播种子,通过动物消化道后才容易萌发。其外种皮上的结构能够抵御被动物消化。 

4. 鹤虱Lappula myosotis(果实,光学显微) 

 

鹤虱的果实具有尖锐的刺和钩,易于被动物和人类携带,四处传播。 

5. 扁穗雀麦 Bromus catharticus(光学显微) 

 

禾本科植物的部分表皮细胞发生了硅质化,坚硬而锋利。若不小心很容易划破手指。 

  

 

  用它来拍照,还要担心样品不够小? 

  扫描电子显微镜是更加奢侈的成像设备,它通过用聚焦电子束扫描样品的表面来获得图像,可以实现分辨率优于1纳米的分辨率。使用它拍摄时所要担心的事常常是,样品不够小。不断放大再放大,寻找合适的拍摄目标——沉浸在这样的微观世界里,常常让人不能自拔。

6. 南瓜(Cucurbita moschata)的花粉(扫描电镜 + 后期上色) 

 

南瓜的花粉呈球形,表面有很多突起。 

7. 紫草科(Boraginaceae)植物的花粉(扫描电镜 + 后期上色) 

 

紫草科植物的花粉只有几微米,是最小的花粉。 

8. 致敏花粉(扫描电镜 + 后期上色) 

 

柳属(Salix)、栎属(Quercus)和悬铃木属(Platanus)植物产生大量依靠风力传播的花粉,它们漂浮在空气中,被人吸入后常导致过敏反应。 

9. 叶背毛被(扫描电镜 原色) 

 

许多植物体表覆盖着毛被,毛被的形态是重要的分类依据。不少毛被的形态需要借助显微设备分辨,此处展示的是经过高倍放大的星状毛被。 

10. 叶表结构(扫描电镜 + 后期上色) 

 

借助扫描电子显微镜的高放大率和“大景深”效果,非常细微的植物结构一览无余。画面中橙黄色的部分是叶背的腺体,棕色部分是长毛的细小叶脉。 

  

 

要想拍出高级黑白艺术大片,就得用X光影像 

  曾着迷于安检屏幕上颇具美感的透视行李图像?或是盯着自己腕部骨折的X光片陷入遐想?是的,X光也常用于科学研究。它是波长极短(约0.001~10纳米),能量很大的电磁波。利用它强大的穿透能力,科研人员可以在不损伤生物外表的情况下,窥视其内部结构。位于昆明植物研究所的国家大科学装置“西南野生生物种质资源库”常利用X光成像无损检测果实和种子的发育状态。

11. 银杏Ginkgo biloba(X光影像) 

 

银杏是我国特有的古老裸子植物,它们的叶片具有独特的二歧分支叶脉。这种有序而颇有美感的结构在X光影像中更为突出。此图经反相处理,原始的X光图象为黑底白图,不同的亮度反映了不同的材料密度。 

12. 贵州苏铁Cycas guizhouensis(种子,X光影像) 

 

苏铁的种子大而营养丰富,能够吸引动物传播。它共有三层种皮,可保护内部的胚与胚乳免受外界物理和生物伤害。 

13. 金钱松 Pseudolarix amabilis(种子,X光影像) 

 

松科植物的种子具有轻盈的翅,它们在成熟后从树上旋转飘落。不过,我们食用松子时这对翅膀已经不在了。 

14. 狭叶坡垒Hopea chinensis(果实,X光影像) 

 

龙脑香科植物的果实具有长长的翅。果实利用这对翅膀从很高的树冠旋转下落,传播到较远的位置。 

15. 冬樱花Cerasus cerasoides(X光影像) 

 

16. 云南含笑 Michelia yunnanensis(X光影像) 

 

17. 豌豆 Pisum sativum(果实,X光影像) 

 

18. 花生 Arachis hypogaea(果实,X光影像) 

 

19. 柄翅果Burretiodendron esquirolii(果实,X光影像) 

 

   

它还能记录无法被人感知的神秘信息? 

  紫外光的波长短于人类可见光的最短波长(约400nm),因此无法被我们感知。但人类的色觉远远算不上主流,包括昆虫和鸟类在内的许多动物都可以感知紫外色彩。借助改造过的数码相机、特殊镜头和滤镜,科研人员可以记录紫外光影响,窥探这些“神秘”的“隐藏信息”。

20. 榕毛茛 Ficaria verna (可见光 + 紫外光) 

 

依靠昆虫传粉的花朵,常在人类不可见的紫外光波段有“隐藏”图案。这部分信号可以被传粉昆虫感知,与部分可见光信号一起作为它们识别、选择花朵的依据。左侧:可见光拍摄的花朵;右侧:仅利用紫外光拍摄的花朵。 

21. 马缨丹 Lantana camara (可见光 + 紫外光) 

 

马缨丹小花中心的色彩与周围不同,这是给传粉者的指引信号。这种信号在可见光(右侧)和紫外光下(左侧)都可以看到。请注意,随花朵逐渐老去,它们的色彩会发生改变(本图示由浅黄变为粉色),这种变化肉眼可见。 

22. 蒲公英 Taraxacum (可见光 + 紫外光) 

 

人类的肉眼看来,蒲公英的花序是比较均一的黄色(左侧)。但实际上,花序中央的色素组成和边缘很不相同,这种差异造就了其在紫外波段的特殊图案(中心暗,边缘亮,右侧)。这类图案信号常常是指引传粉昆虫的标志。 

23. 黄瓜Cucumis sativus (可见光 + 紫外光) 

 

黄瓜花也具有典型的紫外信号。在花朵的中心有一小块吸收紫外线的深色区域,造就了边缘亮中间暗的图案。这往往是指引传粉者着陆的信号。 

 

  结语 

  借助这些科研成像手段,我们发现原来植物里还蕴藏着一个个神奇美妙的新世界,期待这一技术的日益发展与成熟,让我们看到更多不一样的世界,不一样的美。 

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