放大!再放大!原來植物里還有新世界

昆明植物研究所 李漣漪,牛洋,谷志佳,段元文 2019-11-12

  葉子里有什么?花朵里有什么?果實里有什么……憑借肉眼,或許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來看看?

  你可以通過光學顯微鏡掃描電子顯微鏡攝影審視細微的結構,靠紫外光和紅外光攝影洞察更多色彩信息,還可以用X光攝影窺探事物的內部。

  準備好了么?下面跟大院er一起來看這些植物的真面目吧!

  放大!再放大!是粒小小的種子也能被看清 

  光學顯微鏡幾乎是每個生物學實驗室的必備品,科研工作者借助顯微設備觀察樣品的細微結構。體式顯微鏡可觀察的對象非常廣泛,容易操作,能獲得的放大率一般在200倍以內。  

1. 褐色沙拐棗 Calligonum colubrinum(果實,光學顯微)  

 

沙拐棗屬植物多生長在戈壁、荒漠環境,果實的特殊形態令其容易隨風翻滾,得以傳播。 

2. 劍葉蝦脊蘭 Calanthe davidii(種子,光學顯微)  

 

蘭科植物的種子是種子植物中最小的,它們像灰塵般眾多而微小。只有很少幸運的種子才能成長開花。 

3. 闊葉獼猴桃 Actinidia latifolia(種子,光學顯微) 

 

野生的獼猴桃,主要通過鳥類和動物傳播種子,通過動物消化道后才容易萌發。其外種皮上的結構能夠抵御被動物消化。 

4. 鶴虱Lappula myosotis(果實,光學顯微) 

 

鶴虱的果實具有尖銳的刺和鉤,易于被動物和人類攜帶,四處傳播。 

5. 扁穗雀麥 Bromus catharticus(光學顯微) 

 

禾本科植物的部分表皮細胞發生了硅質化,堅硬而鋒利。若不小心很容易劃破手指。 

  

 

  用它來拍照,還要擔心樣品不夠小? 

  掃描電子顯微鏡是更加奢侈的成像設備,它通過用聚焦電子束掃描樣品的表面來獲得圖像,可以實現分辨率優于1納米的分辨率。使用它拍攝時所要擔心的事常常是,樣品不夠小。不斷放大再放大,尋找合適的拍攝目標——沉浸在這樣的微觀世界里,常常讓人不能自拔。

6. 南瓜(Cucurbita moschata)的花粉(掃描電鏡 + 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(掃描電鏡 + 后期上色) 

 

紫草科植物的花粉只有幾微米,是最小的花粉。 

8. 致敏花粉(掃描電鏡 + 后期上色) 

 

柳屬(Salix)、櫟屬(Quercus)和懸鈴木屬(Platanus)植物產生大量依靠風力傳播的花粉,它們漂浮在空氣中,被人吸入后常導致過敏反應。 

9. 葉背毛被(掃描電鏡 原色) 

 

許多植物體表覆蓋著毛被,毛被的形態是重要的分類依據。不少毛被的形態需要借助顯微設備分辨,此處展示的是經過高倍放大的星狀毛被。 

10. 葉表結構(掃描電鏡 + 后期上色) 

 

借助掃描電子顯微鏡的高放大率和“大景深”效果,非常細微的植物結構一覽無余。畫面中橙黃色的部分是葉背的腺體,棕色部分是長毛的細小葉脈。 

  

 

要想拍出高級黑白藝術大片,就得用X光影像 

  曾著迷于安檢屏幕上頗具美感的透視行李圖像?或是盯著自己腕部骨折的X光片陷入遐想?是的,X光也常用于科學研究。它是波長極短(約0.001~10納米),能量很大的電磁波。利用它強大的穿透能力,科研人員可以在不損傷生物外表的情況下,窺視其內部結構。位于昆明植物研究所的國家大科學裝置“西南野生生物種質資源庫”常利用X光成像無損檢測果實和種子的發育狀態。

11. 銀杏Ginkgo biloba(X光影像) 

 

銀杏是我國特有的古老裸子植物,它們的葉片具有獨特的二歧分支葉脈。這種有序而頗有美感的結構在X光影像中更為突出。此圖經反相處理,原始的X光圖象為黑底白圖,不同的亮度反映了不同的材料密度。 

12. 貴州蘇鐵Cycas guizhouensis(種子,X光影像) 

 

蘇鐵的種子大而營養豐富,能夠吸引動物傳播。它共有三層種皮,可保護內部的胚與胚乳免受外界物理和生物傷害。 

13. 金錢松 Pseudolarix amabilis(種子,X光影像) 

 

松科植物的種子具有輕盈的翅,它們在成熟后從樹上旋轉飄落。不過,我們食用松子時這對翅膀已經不在了。 

14. 狹葉坡壘Hopea chinensis(果實,X光影像) 

 

龍腦香科植物的果實具有長長的翅。果實利用這對翅膀從很高的樹冠旋轉下落,傳播到較遠的位置。 

15. 冬櫻花Cerasus cerasoides(X光影像) 

 

16. 云南含笑 Michelia yunnanensis(X光影像) 

 

17. 豌豆 Pisum sativum(果實,X光影像) 

 

18. 花生 Arachis hypogaea(果實,X光影像) 

 

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

 

   

它還能記錄無法被人感知的神秘信息? 

  紫外光的波長短于人類可見光的最短波長(約400nm),因此無法被我們感知。但人類的色覺遠遠算不上主流,包括昆蟲和鳥類在內的許多動物都可以感知紫外色彩。借助改造過的數碼相機、特殊鏡頭和濾鏡,科研人員可以記錄紫外光影響,窺探這些“神秘”的“隱藏信息”。

20. 榕毛茛 Ficaria verna (可見光 + 紫外光) 

 

依靠昆蟲傳粉的花朵,常在人類不可見的紫外光波段有“隱藏”圖案。這部分信號可以被傳粉昆蟲感知,與部分可見光信號一起作為它們識別、選擇花朵的依據。左側:可見光拍攝的花朵;右側:僅利用紫外光拍攝的花朵。 

21. 馬纓丹 Lantana camara (可見光 + 紫外光) 

 

馬纓丹小花中心的色彩與周圍不同,這是給傳粉者的指引信號。這種信號在可見光(右側)和紫外光下(左側)都可以看到。請注意,隨花朵逐漸老去,它們的色彩會發生改變(本圖示由淺黃變為粉色),這種變化肉眼可見。 

22. 蒲公英 Taraxacum (可見光 + 紫外光) 

 

人類的肉眼看來,蒲公英的花序是比較均一的黃色(左側)。但實際上,花序中央的色素組成和邊緣很不相同,這種差異造就了其在紫外波段的特殊圖案(中心暗,邊緣亮,右側)。這類圖案信號常常是指引傳粉昆蟲的標志。 

23. 黃瓜Cucumis sativus (可見光 + 紫外光) 

 

黃瓜花也具有典型的紫外信號。在花朵的中心有一小塊吸收紫外線的深色區域,造就了邊緣亮中間暗的圖案。這往往是指引傳粉者著陸的信號。 

 

  結語 

  借助這些科研成像手段,我們發現原來植物里還蘊藏著一個個神奇美妙的新世界,期待這一技術的日益發展與成熟,讓我們看到更多不一樣的世界,不一樣的美。 

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