Мир без пчел: роботизированное опыление мыльными пузырями

Школьный курс биологии научил нас тому, что все живые организмы так или иначе связаны друг с другом. Посудите сами, на поле растет трава, зайцы едят траву, лисы едят зайцев. Но если одно из звеньев этой демонстрационной цепи исчезнет, то пострадают другие: исчезнут хищники — зайцы начнут плодиться и съедят всю траву; исчезнет трава — зайцам нечего будет есть, следовательно, лисы также будут голодать; исчезнут зайцы — трава будет расти бесконтрольно, а лисы будут голодать. Пример достаточно утрирован, но суть доносит. Подобная ситуация касается и пчел, численность которых за последние годы катастрофически упала. Пчелы, как мы знаем, не только делают мед, но и выполняют одну из важнейших операций в природе — опыление. Сегодня мы рассмотрим исследование, в котором ученые Си Ян и Эйдзиро Мияко описывают роботизированную систему опыления цветов посредством мыльных пузырей. Из чего состоит система, как именно она работает, и почему мыльные пузыри? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Сложно себе представить мир, в котором больше нет пчел, однако это может стать вполне реальным, если ничего не предпринять. Вопросом спасения популяции пчел занимается множество ученых по всему миру. Есть и те, кто готовятся к худшему, пытаясь придумать замену пчелам, если те исчезнут.

Около 3/4 видов культурных растений, которые человек выращивает для своих нужд, полагаются на пчел и других насекомых в вопросе опыления. Использование достаточно жестких методов борьбы с вредителями, расширение фермерских угодий и тотальная урбанизация привели к ощутимому снижению численности популяций этих организмов.

Альтернативой опылению насекомыми с древних времен было ручное опыление, когда человек наносил пыльцевые зерна на цветок посредством специальной кисточки. Этот метод достаточно эффективен, но, как вы понимаете, невероятно сложен. Вручную опылять огромные поля это крайне длительный процесс.

Более современный метод, машинный, позволяет опылять растения быстро и массово. Однако этот вариант очень затратный и менее эффективный, так как внушительная часть пыльцы попадает не туда, куда нужно (остается на самой машине, падает на землю или на листья и т.д.).

На данный момент большие надежды возлагаются на перспективный метод опыления, использующий роботов. Этот метод хорош тем, что роботизированная система может распознавать индивидуальные цветки. Другими словами, робот делает то, что делал бы человек — опыляет каждый цветок индивидуально, от чего процент неэффективно использованной пыльцы значительно снижается.


Дрон-опылитель

Относительно недавно был разработан дрон (Materially Engineered Artificial Pollinators), снабженный липким ионным гелем, покрытым животной шерстью.

Проблема этого дрона была в отсутствии автономности и в том, что волоски щетки царапали цветы во время опыления, повреждая их, из-за чего плоды растений не формировались. Сами авторы признали, что эта разработка была интересной, но неработоспособной.

И тут на помощь приходит научный эксперимент, который многие из нас неосознанно проводили еще в раннем детстве — мыльные пузыри. Ученые отмечают, что пузыри много веков радуют детей и взрослых, являются частью выступлений многих артистов, но использование их в качестве функционального материала мало кого волнует.

По их мнению, устойчивая жидкая мембрана и большая площадь поверхности мыльных пузырей являются подходящими средами для доставки микроскопических легких пыльцевых зерен для опыления. Кроме того, легкий процесс распада и низкая стоимость экологически чистых ингредиентов еще больше подогревают интерес к мыльным пузырям. Не говоря уже о том, что цветы не будут получать значительного урона при контакте с пузырями, в отличие от кисточек дронов-опылителей.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании показано, что химически функционализированные мыльные пузыри имеют уникальные свойства в аспекте опылений:

• простая доставка пыльцевых зерен к целевым цветам;
• сокращение использования пыльцевых зерен;
• эффективное прикрепление мыльных пузырей к пестикам целевых цветов за счет высокой липкости мембраны мыльного пузыря;
• предотвращение серьезного повреждения нежных цветов ввиду мягкости и высокой гибкости мыльных пузырей;
• улучшение активности пыльцы за счет повышения степени прорастания и длины пыльцевой трубки.

Если объединить эти преимущества с автономностью робота, то можно получить практически идеальную систему опыления.

Раствор для мыльных пузырей

Изображение №1

На 1А показана схема того, как мыльные пузыри, содержащие пыльцевые зерна, готовятся с помощью пузырькового пистолета. На интерфейсе между мыльной пленкой и воздухом поверхностно-активное вещество формирует молекулярный бислой, в котором «головки» направлены в водную фазу, а «хвосты» направлены к воздуху.

Таким образом, можно предположить, что микрочастицы пыльцы выталкиваются вместе с раствором, а затем физически поглощаются на бислой пузырьковой мембраны путем механического выдувания жидкости из пузырькового пистолета.

В качестве опытного образца были использованы пыльцевые зерна Pyrus bretschneideri (китайская белая груша), а также мыльный пистолет с мотором и батареей, способный производить много пузырей за раз.

Во время опытов был измерен коэффициент прорастания и роста пыльцевых трубок груши.

Для начала было протестировано 5 вариантов поверхностно-активных веществ (1В и 1С):

• лаурамидопропил-бетаин (A-20AB);
• лаурилсульфат натрия (E-27C);
• лаурил-гидоксисульфо-бетаин (A-20HD);
• сульфат полиоксиэтилен-алкилового эфира натрия (E-D3D);
• [N-кокоил-(2-аминоэтил)-N-(2-гидроксиэтил)-N-натрийкарбоксиметил] этилендиамин (A- 20YB).

Эти поверхностно-активные вещества были случайным образом выбраны среди многих коммерчески доступных продуктов за их способность образовывать много мыльных пузырей при однократном запуске пузырькового пистолета.

Анализы активности пыльцы продемонстрировали, что все пять поверхностно-активных веществ показали дозозависимое ингибирующее действие на прорастание пыльцы и рост трубки. Коэффициент прорастания пыльцы (G) рассчитывали как G = N / N_t х 100 (%), где N и N_t обозначают количество наблюдений за пыльцевыми трубками с помощью оптической микроскопии и общее количество наблюдений (100 наблюдений). Кроме того, длина пыльцевых трубок измерялась по результатам прямого наблюдения и посредством программного обеспечения ImageJ.

Нейтрализованное поверхностно-активное вещество A-20AB продемонстрировало наивысшую эффективность с точки зрения прорастания пыльцы и роста трубок по сравнению с другими вариантами. Фактически, пыльцевые трубки в чашке Петри, обработанные мыльными пузырями с небольшой концентрацией A-20AB, росли абсолютно здоровыми (1D).

Стоит также отметить, что A-20AB обладал самой высокой способностью к образованию мыльного пузыря среди протестированных поверхностно-активных веществ.

Концентрации A-20AB и пыльцевых зерен оказали непосредственное влияние на образование мыльных пузырей (1E). Логично, что более высокая концентрация поверхностно-активного вещества может помочь создать много мыльных пузырей. А большое количество пыльцевых зерен может помешать образованию пузыря. Например, при концентрации A-20AB от 0.0% до 0.2% пузырьки не могут образовываться с пыльцевыми зернами 1–10 мг/мл, в то время как в случае от 0.4% до 0.8% и не более 4 мг/мл зерен можно получить как минимум более одного мыльного пузыря. Если же концентрация A-20AB будет 1.0%, а зерен будет 1–10 мг/мл, то будет образовываться 4-10 пузырей.

В итоге было решено использовать следующие параметры: концентрация A-20AB — 0.4% и концентрация зерен — 4 мг/мл. При перерасчете получается, что на каждый мыльный пузырь можно загрузить около 2000 пыльцевых зерен.

Чтобы повысить эффективность опыления, следовательно, и коэффициент прорастания, ученые также оптимизировали компоненты раствора мыльного пузыря. Одним из важных показателей, влияющих на рост пыльцевых трубок, является pH. Коэффициент прорастания достиг своего максимального значения (около 30.7%) при pH 7.0.

Более того, умеренное добавление бора, кальция, магния и калия стимулирует прорастание пыльцы и увеличение длины трубки. Особенно кальций, который улучшает прорастание благодаря связыванию кальция с пектатами карбоксильных групп вдоль стенки пыльцы. А остальные элементы (бор, калий, магний) усиливают этот эффект.

Добавление в мыльный раствор H₃BO₃ (0–60 мд; мд — частей на миллион) привело к росту пыльцевой трубки до 1187 мкм, что в 1.3 раза больше, чем в контрольной группе (без H₃BO₃).

Подобная ситуация обстояла и с MgSO₄·7H₂O, который существенно не улучшал прорастание пыльцы, но стимулировал удлинение трубки при низкой концентрации (0.1 мМ), в пределах которой длина трубки достигала максимального значения 1127 мкм, что в 1.3 раза выше по сравнению с контрольной группой.

Также было обнаружено, что концентрация CaCl₂ в диапазоне 0.1–2.0 мМ значительно улучшает коэффициент прорастания пыльцы и рост трубки (1152 мкм при 1.0 мМ CaCl₂, что в 1.3 раза больше, чем в контрольной группе). KCl при концентрации 1 мМ сопутствовал удлинению трубки до 1232 мкм, что в 1.4 раза больше, чем в контрольной группе.

Желатин представляет собой водорастворимый белок, который состоит из большого количества глицина, пролина и гидроксипролина. Эти компоненты могут играть существенную роль в прорастании пыльцы и удлинении трубки. Добавление 0.8% желатина в раствор повышает коэффициент прорастания трубки до 50% (1363 мкм).

Для повышения стабильности мыльных пузырей был дополнительно использован небольшой процент гидроксипропилметилцеллюлозы (ГПМЦ). Добавление в раствор 0.2% ГПМЦ также слегка улучшило прорастание пыльцевых семян, но на рост трубки особого влияния не имело.

Толщина мыльного пузыря (его мыльной пленки) определяется по формуле:

τ = (M ÷ ρ) ÷ 4πR2

где τ — толщина мембраны; М — масса (примерно 7.7 мг; ρ — плотность (примерно 0.99 г/см); R — радиус (1.6 см).

Если аппроксимировать π как 3.14, то τ будет равно 2.4 мкм, что является разумным значением для обычного мыльного пузыря в диапазоне толщин 1–10 мкм.

Ручное опыление с помощью мыльных пузырей

Как мы уже знаем, в качестве подопытных выступили цветки белой груши. Первоначально изучалась активность пыльцевых зерен груши в оптимизированном растворе мыльного пузыря во время процесса опыления в течение 3 часов для сравнения с другими методами, такими как порошковое опыление и опыление неоптимизированным раствором.


Изображение №2

В случае оптимизированного раствора коэффициент прорастания составил 49% (2А), а длина трубки составляла 1221 мкм (2В), что в 1.9 и 1.5 раза больше, чем в случае с неоптимизированным раствором (т.е. без каких-либо дополнительных веществ и элементов).

После 3 часов опыления показатели упали до 28% и 990 мкм. Однако даже они были в 5.9 и 1.9 раза выше, чем спустя 3 часа опыления неоптимизированным раствором. Следовательно, внедрение в раствор дополнительных элементов имеет значимое положительное влияние на рост семян.

Чтобы продемонстрировать возможности нового метода опыления, ученые провели наблюдения, где использовалось различное количество (0, 1, 2, 5, 10, 20 и 50) мыльных пузырей на цветках груши (2C). После инкубации в течение ночи при 25 °С пестики цветов срезали и окрашивали анилиновым синим (специальный краситель, используемый в гистологии).

Флуоресцентная микроскопия показала, что пыльцевые зерна успешно приземлились на пестики, а после фактического опыления виден рост пыльцевых трубок. В контрольной группе, где не использовались мыльные пузыри, пыльцевые зерна или трубки вообще не наблюдались.

Логично и то, что количество пыльцевых зерен на каждом пестике увеличивалось с числом используемых пузырей. Однако, применение более 10 пузырей приводит к обратному эффекту, что может быть связано с токсичностью накопления раствора на цветке. Стоит отметить, что раствор не токсичен для цветков, токсично большое его количество (между лекарством и ядом разница в дозировке, как говорят).

Удивительно то, что спустя 16 дней после опыления мыльными пузырями сформировались молодые плоды, объем которых был сравним с объемом плодов после обычного ручного опыления перьевой кисточкой. Контрольная группа цветков, которым дали возможность быть опыляемыми природным путем (насекомыми) показала наименьшие результаты. В природных условиях необходимо полагаться исключительно на пчел и других опыляющих насекомых, которые не действуют по указке, т.е. не систематически (не говоря уже о том, что популяция пчел крайне сократилась).

В результате коэффициент образования плодов в контрольной группе составил всего 58%, а в тестовой (с мыльными пузырями) более 95%. Эти показатели говорят не только о том, что опыление посредством мыльных пузырей значительно эффективнее опыления вручную, но и том, что этот метод позволит увеличить объемы производства.

Роботизированное опыление с помощью мыльных пузырей

Опыление мыльными пузырями вручную хоть и эффективно, но не идеально, ибо ему не хватает автономности. Именно потому следующим этапом исследования стало испытание роботизированного варианта опыления пузырями.

Одной из первых проблем, с которыми можно столкнуться во время использования дронов, это воздушные потоки от винтов аппарата. Использованные в ручном опылении мыльные пузыри крайне быстро лопались, когда их пытались использовать в сопряжении с дронами. Следовательно, необходимо было повысить их стабильность. Для этого в раствор было добавлено 2% ГПМЦ. В результате были получены стабильные пузыри (2% ГПМЦ и 1% A-20AB) диаметром около 2 см (3А).


Изображение №3

Забавно, что эти пузыри не только выдерживали воздушные потоки от винтов дрона, но и достаточно долго (около 10 минут при 25 °С) спокойно располагались на цветках без распада. Некоторые из пузырей оказались еще более выносливыми, так как могли прожить почти 5 часов и выдержать нагрузку сжатия до 0.03 Н. Толщина мембраны пузырей из теста на ручное опыление была 2.4 мкм, тогда как у стабилизированных толщина составила 4.1 мкм, что объясняется внедрением дополнительного ГПМЦ в раствор. При этом активность прорастания зерен сохранялась на достаточно высоком уровне.

Кинематическая вязкость приготовленного раствора мыльного пузыря составила 7530 сСт*, а плотность 1.023 г/см.

сСт* (сантистокс): 1 сСт = см²/с.

Относительно высокая вязкость раствора имела положительный эффект на дисперсию пыльцы, что было доказано проведением оптической микроскопии.

Ученые также подсчитали количество пыльцевых зерен разных растений на каждом пузыре: 269 частиц — L. japonicum; 304 частицы — R. pulchrum; 312 частиц — C. persicifolia).

Важно и то, что даже после того, как пестик каждого цветка был поражен только одним мыльным пузырем, содержащим зерна, с последующей инкубацией в течение ночи, наблюдался рост фиброзных пыльцевых трубок. Это говорит об успешности опыления, даже если произошел контакт лишь с одним пузырем.

Коэффициент успешного опыления отличался у разных цветков. Так у L. japonicum (3С) он составил 90%, потому что цветки этого растения больше, чем у других протестированных.

В сопряжении с дроном также был использован автоматический пузырьковый пистолет (3D), который генерировал 5000 пузырьков в минуту. На роль дрона-носителя был использован самый обычный и коммерчески доступный беспилотник, к которому прикреплялся пузырьковый пистолет.

Движения дрона контролировались автоматической системой, оснащенной глобальной навигационной спутниковой системой (GNSS). При подлете к цветкам на расстояние в 2 м производился пузырьковый «обстрел» под углом 70-80 градусов. Скорость воздушных потоков от дрона составляла 4.5 м/с, когда он стабильно зависал в воздухе. При движении (2 или 4 м/с) она увеличивалась до 5.8 и 8.7 м/с. Из-за этого мыльные пузыри моментально лопались при контакте с цветками. Анализ последующих показателей прорастания показал, что оптимальной скоростью движения дрона является 2 м/с. В таком случае коэффициент прорастания будет порядка 90%.

Для более подробного ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог

К сожалению, пчелы действительно исчезают. В этом печальном процессе деяния человека сыграли далеко не последнюю роль. Однако, словесные упреки в адрес нашего вида ничего не дадут. Необходимо предпринимать реальные действия. В то время как одни ученые ищут способы сохранить популяцию пчел, другие нацелены на поиски методов, которые смогут заменить полосатых опылителей. Это не значит, что авторы сего исследования считают гибель пчел пустяковым делом. Напротив, они полностью осознают серьезность ситуации. Но, какой бы ни была популяция пчел, полагаться на них в вопросе опыления громадных фермерских угодий в промышленных масштабах не стоит. Пчелы живут в своем ритме, который никак не должен быть связан с желаниями фермеров и их планами на объемы выращенных овощей/фруктов.

Роботы же подчиняются правилам, установленными человеком (пока что). Но не роботы важны в этом исследовании, а обычные мыльные пузыри. Структурно эта хрупкая система редко применяется в качестве материальной базы для чего-либо. Ученые считают, что это большое упущение, поскольку мыльные пузыри весьма полезны.

Использование определенного раствора позволило ученым создать достаточно стабильные мыльные пузыри, которые смогут доставлять пыльцевые зерна к цветкам, не повреждая их, что часто происходит в случаях классического ручного опыления ворсовой кистью. Использование мыльных пузырей еще и выгодно. Во-первых, коэффициент прорастания зерен повышается за счет точного опыления и за счет дополнительных питательных элементов в растворе. Во-вторых, используемая пыльца значительно чаще попадает на цветок, а не остается на распылителе или на листьях/стеблях растения.

Конечно, эта разработка уникальна и очень полезна. Тем не менее, не стоит считать, что имея подобные технологии в своем распоряжении, можно наплевательски относиться к тем, кто опылением занимался задолго до того, как появились дроны, алгоритмы и прочие примочки. Природа окружает нас всегда, даже если мы живем в городах, наполненных металлом, бетоном и стеклом. От любого, даже самого маленького существа (конечно, если это не паразит), так или иначе есть польза экосистеме, в которой он живет. Остается лишь один вопрос — какова польза от нас? Ответ на него у каждого свой, кто-то прав, а кто-то — нет. Философствовать можно часами, но вывод простой, как инфузория туфелька, — может мы и самые умные существа на планете, но это не дает нам права эту планету подминать под себя.

Пятничный офф-топ:

Разные виды пчел защищают свой дом от врагов разными методами. Гигантские пчелы (Apis dorsata) формируют волну, словно болельщики на стадионе.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята!

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?