这种沙漠苔藓已经开发出终极的水收集工具包

2020-10-09 186苔藓

对于即使在最干旱的地区似乎也很茂盛的一种苔藓,在沙漠中寻找水份是一项相对容易的任务。这是由一组科学家和工程师组成的一项新研究得出的,他们希望了解尽管供水有限且前后不一致,但Syntrichia caninervis如何成功,这种沙漠苔藓已经开发出终极的水收集工具包。

研究结果首次显示出高度进化的苔藓植物如何在极端干旱的环境中生存,这在一定程度上要归功于其专门的集水和运输工具。

这项为期四年的研究揭示了苔藓如何利用叶子而不是根来收集水分。从分子到雨滴,S.caninervis已经开发出利用各种可用水形式的特殊结构。这项发现发表在犹他州立大学飞溅实验室,杨百翰大学和中国科学院新疆生态与地理研究所的研究人员的《自然植物》上。

这种沙漠苔藓已经开发出终极的水收集工具包

植物成功的关键是其细小的叶片毛尖或芒。每片叶子顶端的这些0.5-2毫米长的头发状结构就像瑞士军刀一样,具有从各种规模的水收集水的能力。这种沙漠苔藓已经开发出终极的水收集工具包,无论工厂是下大雨还是仅偶尔有雾,S.caninervis的雨篷都可以使用四种专用工具来利用任何可用的水资源。

每个遮阳篷都覆盖有纳米级和微米级的凹槽,水蒸气会在这些凹槽中容易凝结。凹槽的大小和形状恰到好处,可以直接从潮湿的空气中冷凝水分子并捕获微小的雾滴。在更大的规模上,每个遮阳篷还具有细长的倒钩,这些倒钩可以用作收集站,在该处冷凝或收集的水形成小滴。当足够大时,水滴会沿着雨篷的长度向着叶子移动-有时速度非常快。

集水,液滴形成和向叶的快速运输的过程是保持这种苔藓存活所需的芒草的关键功能。犬链球菌是独特的,因为其叶片表面必须湿润才能进行光合作用,并且其根状结构(类根茎)不会从土壤中积水。

这组作者说,更大的尺度是,篷本身形成了一个纤维网,有助于吸收降雨。小植物生长在高密度簇中,在沙漠土壤上形成保护层。在降雨期间,植物的柔性叶片和遮阳篷吸收了大部分的雨滴能量,从而大大减少了飞溅和水分流失。

生物学家Nan Wu博士将独特的协作成果带到了Splash Lab。她和叶涛进行了初步研究,她想知道苔藓是否有特殊的集水现象。在张元明的指导下,他们的努力表明没有芒草的犬链球菌阻碍了生长速度。

主要作者,BYU机械工程学博士生赵盼(Zhao Pan)收集了第一批数据,并假设苔藓的确使用独特的纳米,微米和倒钩状结构来收集和输送各种规模的水。在BYU化学工程教授比尔·皮特(Bill Pitt)的帮助下,赵先生能够对水分子和雾滴的能量成本进行数学建模,这表明纳米槽的形状和尺寸降低了冷凝水和捕获雾中能量的成本。到棚子里的气氛。

由USU机械工程助理教授Tadd Truscott领导的Splash Lab团队使用高速视频和环境扫描电子显微镜来收集高度可视的数据。他们的视频(使用下面的链接)捕获了纳米结构中发生的水核形变的程度不同,并且吸收了几乎没有飞溅或没有飞溅的大部分撞击雨滴。对比视频显示雨水落在裸露的土地上,显示了没有保护层的细腻沙漠土壤如何被冲走。

研究意义

在沙漠环境中资源不一致且有限的情况下,S. caninervis通过将其多尺度的遮阳棚结构与多尺度的水资源配对来优化了集水量。这些专门工具的综合作用使苔藓在其他植物可能遭受水分胁迫的地方壮成长。

特鲁斯科特说:“使用这些不同的结构,这种植物每天可能会喝一杯,而其他沙漠植被可能每周都会喝一次水。”

作为流体动力学专家和贸易工程师,Truscott考虑了该研究的实际应用。

他说:“这项研究有几个令人兴奋的角度。” “例如,在工业中某些过程中,我们需要从潮湿的环境中提取水分。我们可能会创建人造版本的纳米和微米级凹槽,我们可以在遮阳棚中看到这种凹槽,并将其用于制造环境。”

另一个卓越性能

Truscott的另一个连接是该植物卓越的防溅性能。几年来,他和他的团队一直在探索减少多种环境(包括普通小便池)飞溅的方法。对于Splash Lab团队而言,这个概念并非微不足道的话题。他们已经证明,在公共卫生和设施维护成本方面,小便池回溅是一个合理的问题。狗链球菌利用水滴簇集的方式启发了Truscott团队开发的新设计的小便池防溅垫

引用

Utah State University. "This desert moss has developed the ultimate water collection toolkit." ScienceDaily. ScienceDaily, 6 June 2016. www.sciencedaily.com/releases/2016/06/160606140006.htm.

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