Жирные кислоты и насыщенные углеводороды сделали крылья цикад бактерицидными
Американские ученые показали, что химический состав крыльев цикад влияет на их супергидрофобность и бактерицидные свойства не меньше, чем нанорельефная текстура на поверхности. В статье в Advanced Materials ученые пишут, что жирные кислоты и насыщенные углеводороды на поверхности крыла убивают налипающие на крылья бактерии и у цикад с гладким крылом, и у тех, поверхность которых покрыта массивом наностержней. Во втором случае это еще и делает крыло супергидрофобным.
Крылья многих насекомых обладают гидрофобной поверхностью — это помогает защитить крыло от грязи, дождевых капель и бактерий. Такая защита не дает грязи налипать на крылышки, но если этого недостаточно, то насекомые не ограничиваются изменением химического состава поверхности, а дополнительно наносят на нее рельефную нанотекстуру. Тогда поверхность становится супепргидрофобной, и капли не просто не прилипают к крыльям, но и сразу же скатываются с них.
Считается, что некоторым видам цикад такая текстура помогает бороться с биозагрязнением, повреждая мембраны налипающих на крылья бактерий.
Американские исследователи под руководством Джессики Роман-Кустас (Jessica Román-Kustas) из Научно-исследовательской лаборатории строительной техники (CERL) решили разобраться, действительно ли бактерицидная природа крыльев цикад связана с их супергидрофобностью и какую роль в антимикробных свойствах играет химический состав крыла, а какую — нанорельеф на его поверхности. Для этого ученые сравнили крылья двух видов из семейства певчих цикад: однолетней цикады Neotibicen pruinosus и периодической цикады Magicicada cassinii. Периодическая цикада имеет 17-летний цикл развития, но в форме взрослого насекомого с крыльями живет меньше месяца. У цикады N. pruinosus цикл развития всего год, но в крылатой форме она находится значительно дольше — от 2 до 4 месяцев. Поэтому и свои крылья от воды это насекомое защищает значительно усерднее: если у 17-летней цикады M.
cassinii поверхность крыла почти гладкая и выступы не выше 50 нанометров, то на крыльях однолетней цикады N. pruinosus можно обнаружить упорядоченный массив из наностолбиков высотой в несколько сотен нанометров.
С помощью микроволновой экстракции (microwave-assisted extraction) авторы работы снимали слой за слоем с поверхности крыла и определяли его химический состав.
Выяснилось, что основный компонент гидрофобного покрытия для обоих видов насекомых — жирные кислоты и насыщенные углеводороды с углеродным скелетом длиной от 17 до 44 атомов. При этом основная доля приходится на более короткие молекулы (углеводороды длиной до 29 атомов и жирные кислоты длиной 19 атомов). Такой химический состав делает почти гладкую поверхность крыльев
M. cassinii
гидрофобной, а текстурированную поверхность крыла
N. pruinosus
— супергидрофобной и помогает таким образом избавить крылья от излишков воды и грязи на поверхности.
Чтобы оценить бактерицидные свойства крыльев, авторы работы изучили взаимодействие крыльев с клетками кишечной палочки — насколько охотно бактерии садятся на крылья насекомых и сколько из них потом погибает.
Предыдущее исследование предполагало, что к смерти бактерий приводят именно наностолбики: за счет прокола или разрыва при растяжении разрушается клеточная мембрана бактерии, и клетка погибает. Однако сейчас ученые показали, что бактерицидный механизм, вероятно, несколько сложнее и химический состав поверхности крыла важен не меньше, чем нанотекстура. Наностолбики на поверхности действительно заметно уменьшает число бактерий, изначально севших на крыло (при этом количество бактерий увеличивается с уменьшением гидрофобности). Однако процент погибших клеток на гладкой и нанотекстурированной поверхностях оказался практически одинаковым. Послойный анализ химического состава показал, что основную роль в гибели бактерий, вероятно, играют насыщенные углеводороды.
Ученые отмечают, что полученные данные будут крайне полезными при создании искусственных гидрофобных поверхностей с антибактериальными свойствами. Химики нередко используют крылья насекомых в качестве биопрототипа искусственных материалов.
Например, химики из США и Китая сделали материал, который отражает не более одного процента света в видимом и инфракрасном диапазонах, использовав в качестве прообраза гидрофобные брохосомы — частицы, которые производят цикадки для маскировки и защиты.
Стоит отметить, что далеко не все насекомые, которые часто контактируют с водой, делают свои крылья супергидрофобными. Например, у медоносных пчелы угол смачивания едва превышает 100 градусов, но они могут двигаться по поверхности воды, гребя крыльями, как веслами.
Александр Дубов
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
20 фактов из жизни замечательных насекомых. — Kid-mama
1 ) Стрекозы были одними из первых крылатых насекомых появившихся примерно 300 миллионов лет назад. Современные стрекозы обладают размахом крыльев от двух до пяти сантиметров, но найденные ископаемые стрекозы были с размахом крыльев до двух метров.
2 ) Некоторые ученые предполагают, что высокий уровень кислорода атмосферы в Палеозойскую эру позволил стрекозам вырасти до гигантских размеров.
3 ) Известны более 6000 разновидностей стрекоз, называемых Одоната, что означает “зубастая” на греческом.
4 ) В личиночной стадии, которая может длиться до двух лет, стрекозы находятся в водной среде и едят почти все—головастиков, комаров, рыб, личинок других насекомых и даже друг друга.
5 ) В финале личиночной стадии(нимфы), стрекозы выползают из воды, личиночная шкурка сбрасывается и освобождается тело насекомого. Крылья и ткани еще очень мягкие, но они высохнут и затвердеют в течение ближайших нескольких часов:
6 ) Стрекозы мастера пилотажа. Они могут летать вертикально вверх и вниз, зависать как вертолет и даже спариваться в воздухе. Если они не могут летать, они будут голодать, потому что добычу они ловят в полете.
7) Спаривание.Перед спариванием, большинство животных проходит через, своего рода, ритуал, а вот у стрекоз на это нет времени – вокруг же полно еды, которую необходимо съесть! Поэтому они насильно спариваются с первой же встретившейся им самкой, и слово насильно тут вполне уместно.
Самец вначале определяет местонахождение самки по её движению в полёте, чтобы убедиться в том, что она относится к его виду. Затем он приближается сзади, сжимает свои передние лапы вокруг её шеи, и иногда даже кусает её за шею, чтобы подчинить своей воле. Затем он посылает сигналы по своему телу и начинает перемещать сперму в нужное место, так как сперма у самцов стрекоз содержится в отделе, который находится в самой задней части их тел, несмотря на то, что их пенисы находятся выше. Поэтому, как только самец занял позицию, он начинает перемещать сперму.
Однако во время этого процесса он не сидит, сложа лапы. Самки стрекоз обычно спариваются с множеством партнёров. Поэтому, самцы стрекоз обладают своего рода зубцами на своих пенисах, которые служат лишь для того, чтобы вычерпать сперму предыдущего самца из тела самки. Когда все помехи наконец устранены, самец переходит к делу – и всё это происходит, в то время как обе особи парят в воздухе.
В некоторых случаях самец продолжает стеречь самку до тех пор, пока её яйца не будут оплодотворены его спермой, чтобы её не изнасиловали другие самцы, и его шансы стать отцом выросли.
8 ) Стрекозы ловят свою добычу- насекомых, захватывая их своими лапками. Они настолько эффективны в охоте, что в одном из исследований Гарвардского университета утверждается что стрекозы ловят 90-95 процентов добычи выпущенной в вольер.
9) Полет стрекозы является настолько уникальным, что она вдохновила инженеров, сделать роботов, летающих как стрекозы.
Видео: Стрекоза — робот.
10 ) Некоторые взрослые стрекозы живут всего несколько недель, иные доживают до года.
11 ) Почти вся голова стрекозы — это глаза, поэтому они имеют невероятное видение, охватывающее почти 360 градусов.
12 ) Стрекозы — одни из основных насекомых контролирующих численность комаров.
Одна стрекоза может съесть от 30 до сотни комаров в день.
13 ) Сотни стрекоз разных видов собираются в стаи, либо для питания, либо для миграции. Малоизвестный проект «Стрекозиный Рой» собирает отчеты об этом, чтобы лучше понять поведение этих насекомых.
14 ) Ученые проследили миграцию стрекоз приклеив крошечные передатчики комбинацией суперклея и клея для ресниц. Они обнаружили, что зеленые (американские) дозорщики ) из Нью-Джерси, налетали за три дня в среднем по 7,5 мили в день (хотя одна стрекоза пролетают и по 100 км за один день).
15 ) Стрекоза Pantala flavescens (Бродяжка рыжая (англ. вариант-Globe Skimmer)) совершает самую длинную миграцию из насекомых—17000 км (в оба конца) в Африку через Индийский океан.
Pantala flavescens расселена в широчайшем ареале распространения, к югу от 40-й параллели, или в пределах 20 ° C изотермы (районы мира, где средняя годовая температура выше 20 градусов по Цельсию).
В Европе зафиксированны единичные случаи обнаружения стрекоз этого вида, в основном — в районе Эгейского моря и прилегающих к нему территорий. Все Pantala flavescens обнаруженные в Англии или Франции скорее всего завезены с поставками фруктов. Объяснением отсутствия этих бабочек в Европе, скорее всего, является барьерный эффект пустыни Сахара, который генерирует сильные суховеи, такие как сирокко, чья сухость и делает для стрекоз пролёт практически невозможным.
Ещё одним свидетельством предпочтения ими (стрекозами) влажных ветров, является то, что стрекозы мигрируют на юго-восток Индии в район штата Тамилнад только после второго муссона, который приносит дожди в этот регион. В остальной части Индии они появляются с первыми муссонами. Вся Юго-Восточная Азия — ареал распространения Бродяжки. Она была замечена даже в Гималаях на высоте 6200 м — рекорд высоты для стрекоз. Также это были первые насекомые, которые обосновались на атолле Бикини после ядерных испытаний, проведенных там.
Кроме того, это единственный известный вид стрекоз на острове Пасхи.
16) На своих крыльях, стрекозы имеют кутикулярное утолщение — птеростигму. Птеростигма может гасить вредные колебания (флаттер) крыла, якобы возникающие при высокоскоростном полёте. Подобные антифлаттерные конструкции используются в авиации.
17)Исследователи распределяют стрекоз по 3 подотрядам. Те из них, которые складывают свои крылья под брюшком, находясь в статичном состоянии, названы равнокрылыми. Располагающих крылья перпендикулярно своему телу, именуют разнокрылыми. Оставшиеся два подвида, распространённые на Индостанском полуострове и в Японии, объединены подотрядом Epiophlebia.
18) Самой большой из живущих ныне на планете стрекоз является Megaloprepus-caerulatus.
Вид является крупнейшим среди ныне живущих представителей отряда стрекоз: наиболее крупные самцы могут достигать размаха крыльев до 190 мм с длиной брюшка до 100 мм.
Это один из немногих видов равнокрылых стрекоз, самцы которого крупнее самок. Крылья прозрачные с бурыми жилками, с широкой синей с металлическим блеском вертикальной полосой у верхушки крыла. На этой полоске находятся бледно-голубые округлые пятна, порой сливающиеся в единую полоску. Окраска широкой полосы на нижней стороне крыльев — чёрная. Первая и вторая пары крыльев практически одинаковы по размерам и строению.
19) Самой маленькой из стрекоз найденных исследователями была — Agriocnemis паiа из Мьянмы (Бирма). Один экземпляр, хранящийся в Музее естественной истории в Лондоне, имел при жизни размах крыльев 17,6 мм при длине тела 18 мм.
20) Из ныне живущих самой маленькой считается Agriocnemis-femina с размахом крыльев 20 мм.
И завершим статью небольшой галереей этих замечательных и неординарных существ — одним из украшений не перестающей изумлять нас природы — матери…
Крылья насекомых вдохновляют антибактериальные поверхности для трансплантации роговицы, других медицинских устройств
Примечание для журналистов: Пожалуйста, сообщите, что это исследование будет представлено на заседании Американского химического общества.
Пресс-конференция на эту тему состоится во вторник, 15 марта, в 9:30 утра по тихоокеанскому времени в конференц-центре Сан-Диего. Журналисты могут зарегистрироваться в комнате 16B (мезонин) лично или посмотреть прямую трансляцию на YouTube http://bit.ly/ACSliveSanDiego . Чтобы задавать вопросы онлайн, войдите в систему с помощью учетной записи Google.
САН-ДИЕГО, 15 марта 2016 г. — Когда-нибудь цикады и стрекозы могут спасти ваше зрение. Ключ к этой силе кроется в их крыльях, покрытых лесом крошечных остроконечных столбиков, которые пронзают и убивают бактериальные клетки, которым не повезло приземлиться на них. Теперь ученые сообщают, что они воспроизвели эти антибактериальные наностолбы на синтетических полимерах, которые разрабатываются для восстановления зрения.
Исследователи представляют свою работу сегодня на 251 st Национальная встреча и выставка Американского химического общества (ACS). ACS, крупнейшее в мире научное общество, проводит собрание здесь до четверга.
Он содержит более 12 500 презентаций по широкому кругу научных тем.
«Другие исследовательские группы также создали антибактериальные наностолбчатые поверхности, но ни один из их подходов нельзя использовать на обычных полимерных поверхностях или легко масштабировать», — говорит Альберт Ф. Йи, доктор философии, возглавляющий группу, работающую над тема. Напротив, метод производства, который адаптирует его группа, преодолевает эти препятствия.
«Наш метод основан на методе, разработанном в начале 2000-х годов для полупроводниковой промышленности, — говорит Мэри Нора Диксон, аспирант лаборатории Йи. «Он надежен, недорог и может использоваться в промышленном производстве. Так что теперь его можно применять к медицинским устройствам, которые могут улучшить качество жизни людей».
Одним из таких приложений является искусственная роговица, которую группа Йи намеревается сконструировать из полиметилметакрилата (ПММА), знакомого многим по торговым названиям, таким как оргстекло 9.
0017® и Lucite ® . Этот материал уже широко используется в медицинских устройствах, включая имплантируемые интраокулярные линзы и традиционные жесткие контактные линзы. Встраивая наностолбики в поверхности этих типов устройств, исследователи надеются сделать их бактерицидными без необходимости в отдельном биоцидном покрытии или антибиотиках.
В более ранней работе Йи, Диксон, Елена Лян и их коллеги из Калифорнийского университета в Ирвине показали, что их наностолбики, такие как на крыльях цикад, могут убивать бактерии, называемые «граммотрицательными». В эту группу микроорганизмов входят Кишечная палочка . Но наностолбики цикад неспособны убить другой тип бактерий, известных как «граммположительные», потому что эти микробы имеют более толстые клеточные стенки. Уничтожение этих бактерий, в том числе MRSA (метициллин-резистентный Staphylococcus aureus ) и Streptococcus (известный как «стрептококк»), важно, поскольку они вызывают инфекции на медицинских устройствах и в больницах.
По сравнению с наностолбиками цикад, наностолбики на крыльях стрекозы выше и тоньше, и они могут убивать грамположительные бактерии. Теперь Диксон пытается формировать такие наностолбики на ПММА. Однако она обнаружила, что эти структуры труднее воспроизвести, чем коротенькие столбы цикад. В настоящее время она модифицирует производственный процесс несколькими способами, чтобы преодолеть эти проблемы.
Например, в одном варианте процесса используются промышленные пресс-формы, содержащие миллиарды крошечных ямок на площади всего в несколько квадратных дюймов. Прижатие формы к нагретой полимерной пленке изменяет форму пленки, оставляя ее украшенной наностолбиками после удаления формы. Этот метод отлично подходит для более коротких столбиков, похожих на цикады, но более тонкие столбики, похожие на стрекоз, имеют тенденцию ломаться, когда форму удаляют, так же, как пережаренные кексы прилипают к внутренней части несмазанной формы для кексов.
Итак, Диксон экспериментирует с фторсилановыми покрытиями для форм; эти покрытия могут помочь освободить стойки, когда придет время снимать полимерную пленку.
Она также тестирует различные химические составы для самой формы.
Йи, Лян и Диксон в настоящее время применяют свою технику к искривленным поверхностям, таким как искусственная роговица. Для этого приложения Диксон создал гибкую форму для столбов, похожих на цикады. Недавно она показала, что наностолбчатая поверхность ПММА, изготовленная с помощью этой изогнутой формы, сохраняет способность убивать бактерии, не повреждая другие виды клеток глаза. В настоящее время команда разрабатывает форму для более высоких столбов в виде стрекоз.
Группа подала заявки на патенты на бактерицидную поверхность и применение искусственной роговицы и надеется начать испытания на животных в этом году.
Йи выражает благодарность Калифорнийскому университету в Ирвайне и фонду Allergan Foundation.
Американское химическое общество — некоммерческая организация, учрежденная Конгрессом США. ACS, насчитывающая более 158 000 членов, является крупнейшим в мире научным сообществом и мировым лидером в предоставлении доступа к исследованиям, связанным с химией, через свои многочисленные базы данных, рецензируемые журналы и научные конференции.
Его главные офисы находятся в Вашингтоне, округ Колумбия, и Колумбусе, штат Огайо.
Крылья насекомых, уничтожающих бактерии, вдохновили на создание новой антибактериальной упаковки
Кредит: Pixabay/CC0 общественное достояние
Вдохновленные убивающими бактерии крыльями насекомых, таких как цикады, ученые разработали естественную антибактериальную текстуру для использования на упаковке пищевых продуктов, чтобы увеличить срок хранения и сократить количество отходов. Лабораторная нанотекстура от австралийско-японской группы ученых убивает до 70% бактерий и сохраняет свою эффективность при переносе на пластик.
Более 30% продуктов питания, произведенных для потребления человеком, становятся отходами, при этом целые поставки отбраковываются, если обнаруживается рост бактерий. Исследование закладывает основу для значительного сокращения отходов, особенно при экспорте мяса и молочных продуктов, а также для увеличения срока годности и повышения качества, безопасности и целостности упакованных пищевых продуктов в промышленных масштабах.
Заслуженный профессор Елена Иванова из Университета RMIT сообщила, что исследовательская группа успешно применила явление природы к синтетическому материалу — пластику. «Устранение бактериального загрязнения — это огромный шаг к увеличению срока годности продуктов питания», — сказала она.
«Мы знали, что крылья цикад и стрекоз являются высокоэффективными убийцами бактерий и могут помочь найти решение, но воспроизведение природы всегда является сложной задачей. Теперь мы создали нанотекстурирование, которое имитирует уничтожающий бактерии эффект крыльев насекомых и сохраняет его антибактериальная сила при печати на пластике. Это большой шаг к естественному, нехимическому, антибактериальному упаковочному решению для пищевой и обрабатывающей промышленности».
Исследование, опубликованное в ACS Applied Nano Materials, — результат сотрудничества RMIT, Токийского столичного университета и Института KAITEKI компании Mitsubishi Chemical. В 2015 году Австралия экспортировала в Японию продуктов питания и сельскохозяйственной продукции на сумму 3,1 миллиарда долларов США, что сделало ее пятым по величине экспортером такой продукции в страну.
Крылья стрекоз и цикад покрыты множеством наностолбиков — притупленных шипов, размером с клетки бактерий. Когда бактерии оседают на крыле, структура наностолбиков разрывает клетки, разрывая их мембраны и убивая их. «Это как растягивать латексную перчатку, — говорит Иванова. «По мере того, как он медленно растягивается, самое слабое место в латексе становится тоньше и в конечном итоге порвется».
Команда Ивановой разработала свою нанотекстуру, воспроизведя наностолбики насекомых и разработав собственные наноструктуры. Чтобы оценить антибактериальную способность рисунка, бактериальные клетки контролировались в Центре микроскопии и микроанализа RMIT мирового класса. Лучшие антибактериальные рисунки были переданы японской команде, которая разработала способ воспроизведения рисунков на полимерном пластике.
Вернувшись в Австралию, команда Ивановой проверила пластиковые наноструктуры и нашла ту, которая лучше всего воспроизводит крылья насекомых, но при этом ее легче всего изготовить и масштабировать.
Иванова сказала, что работать с пластиком сложнее, чем с другими материалами, такими как кремний и металлы, из-за его гибкости. «Нанотекстурирование, созданное в этом исследовании, хорошо себя зарекомендовало при использовании с жестким пластиком. Наша следующая задача — адаптировать его для использования с более мягкими пластиками», — сказала она.
С тех пор как десять лет назад Иванова и ее коллеги обнаружили способность крыльев насекомых убивать бактерии, они работали над созданием оптимального наноструктуры, позволяющей использовать способность насекомых убивать бактерии, и использовать ее на различных материалах. До недавнего времени было трудно найти подходящую технологию для воспроизведения этого нанотекстурирования в масштабе, подходящем для производства.
Но теперь существуют технологии для масштабирования и применения антибактериальных свойств к упаковке, среди ряда других потенциальных применений, таких как средства индивидуальной защиты.
Их новое исследование основано на исследовании 2020 года по использованию наноматериалов, вдохновленных насекомыми, для борьбы с супербактериями.