Οπτικές και φωτονικές ιδιότητες πετάλων από άνθη φυτών του μεσογειακού οικοσυστήματος

Abstract

In this PhD Thesis, optical and photonic properties of floral tissues from plant species grown in the eastern Mediterranean (i.e. Cistus creticus, Erodium malacoides, Lysimachia arvensis, Myrtus communis, Nerium oleander, Oxalis pes-caprae and Papaver rhoeas) have been studied. Reflection and absorption of both petal extracts and intact petals of flowers of the above mentioned species were measured using spectrophotometers. Complementary, the petal surfaces were viewed using atomic force microscopy and cross-sections of flower petals from selected species (i.e. Nerium oleander, Myrtus communis and Oxalis pes-caprae) were viewed using light microscope. Folding of floral surfaces was associated with Mathematical Topology and correlated with minimal surfaces. It seems likely that floral advertisement possesses a maximum area per direction unit, concomitantly with minimum quantitative structure of petals; such an optimization may be expressed by petal surfaces that do not exhibit any curvature. Atomic force microscopy data reveal nanosculptures on the petal surfaces, which are the main linkage between colour of flower petals with their surface roughness. Many possible functions have been applied in order to achieve the best fitted results according to the experimental data. Eventually, two functions were selected; the first one was a periodic with damping amplitude and the second one was a two branch function with an exponential and a parabolic part; among the functional parameters several constant parameters, such as the golden ratio (φ) and the wavelength (λ) of maximum visual acuity of the human eye, were included.Also, the surface of pollen grains of flowers from selected plant species (i.e. Anemone coronaria, Chrysanthemum coronarium and Cistus creticus) has been observed and photographed using a scanning electron microscope and the images were processed with special software. The surface structures exhibit symmetries that are associated with particular mechanical features, such as delocalization of trends, wettability and scrolling.The laws of optics and vector analysis were used to achieve a model, in order to analyze the optical properties of flower petals and petal surface structures. The model (CroSeRT) digitized data obtained from optical microscopy cross-sections of petals of flowers of Nerium oleander, Myrtus communis and Oxalis pes-caprae have been used; the model was programmed in ForTran language. The pathway of the visible light through the cross section of petals of Nerium oleander, yielded results about the effect of the shape of the adaxial (upper) and abaxial (lower) epidermal cells, the radiation angle of incidence and the wavelength of reflected radiation. In addition, coordination of the epicuticular wax layer with light interference has been studied. Two models have been designed, i.e. a radial model and a wave model; however, negative results were obtained using both models, which is in agreement with the experimental results of Nomarski interferometry.A sub-program of the CroSeRT model was applied on the cross-sectional view of petals of flowers of Oxalis pes-caprae, in order to study the perception of incident radiation by the adaxial, papillae epidermal cells. Actually, adaxial, epidermal cells of petals have focal regions, where incident light rays are focused on the centre of cells (lens cells), while shifting of the focal point was investigated, during the course of a day. Data of solar spectral intensity obtained, using a portable spectro-radiometer, have been imported in the algorithm and the results indicate that the cellular focal region is periodically shifted at a nanometer scale, throughout a day. This finding is typesetting the hypothesis of a photoperiodic mechanism (on the adaxial epidermal cells of petals), most probably coordinated with aspects on the endogenous oscillator, which may act to insure that flower opening occurs during suitable, environmental conditions. The model indicates that focal regions within epidermis cells, where light beams become concentrated according to the calculations, are moving over small distances in a diurnal pattern that can be related with solar zenith positions. Possibly, this has relevance for diurnal patterns of flower opening and closing, or even solar tracking of flowers.It is likely that floral colour perception, consists of two components, i.e. the pigmented colour, based on the pigments found in petal tissues and the structural colour, which derives from the microsculpture of the petals’ surfaces and phenomena of light interference. Absorption spectra of the extracted pigments from fresh petals of plant species (i.e. Cistus creticus, Erodium malacoides, Lysimachia arvensis, Myrtus communis, Oxalis pes-caprae, Papaver rhoeas) have been obtained. Also, the reflectance of intact fresh petal tissues from the above mentioned plant species, was measured using solid phase spectrophotometer with an integrating sphere. In the case that structural colour of flower petals does not exist, it is expected that the absorption curve of the tissue pigments’ extracts to fit with the absorbance curve of the raw material. As a matter of fact, transformation of the above mentioned curves failed; this indicates the presence of structural colour on floral tissues. Actually, the case study of the blue flower petals of Lysimachia arvensis is indicative of transformation failure of the absorbance curves from both petal extracts and intact petals, which have been studied using the WsXM image processing software. Fourier analysis of microscopic results from the adaxial petal surface of Lysimachia arvensis, demonstrates the presence of periodic folded structures, which cause constructive interference of visible light; it is worth mentioning that the average vertical distance between folds of the adaxial petal epidermises of Lysimachia arvensis is approximately 200 nm, which correspond to half of the blue light wavelength of the solar radiation.The modelling approach presented in this PhD Thesis aims to describe how light perceived by papillate epidermal cells becomes directed to and concentrated in the upper part of petals. Reflectance of this light may enhance the shiny appearance of the flowers giving them enhanced visibility. Such intra-petal light distribution patterns may be further involved in petal and flower diurnal movements.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή μελετήθηκαν οπτικές και φωτονικές ιδιότητες πετάλων από άνθη των φυτικών ειδών Cistus creticus, Erodium malacoides, Lysimachia arvensis, Myrtus communis, Nerium oleander, Oxalis pes-caprae και Papaver rhoeas. Φασματοσκοπικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε εκχυλίσματα των πετάλων των ανθέων με οργανικούς διαλύτες (με χρήση φασματοφωτομέτρου UV-Vis) και σε άθικτα νωπά πέταλα από άνθη των προαναφερθέντων φυτικών ειδών (με χρήση φασματοφωτομέτρου στερεής φάσης με σφαίρα ολοκλήρωσης). Παρατηρήθηκαν εγκάρσιες τομές από πέταλα των ανθέων και έγινε επεξεργασία των επιφανειών των πετάλων που αποκαλύφτηκαν με χρήση μικροσκοπίας ατομικής διακριτικότητας. Ποικίλσεις και αναδιπλώσεις που υπάρχουν στις επιφάνειες των πετάλων των ανθέων συσχετίστηκαν με την Τοπολογία (των Μαθηματικών) και συγκεκριμένα με τις ελάχιστες επιφάνειες. Βρέθηκε πως τα πέταλα καλύπτουν τη μέγιστη δυνατή επιφάνεια ανά μονάδα κατεύθυνσης, με παρουσία της ελάχιστης δομής. Ενδεχομένως, βελτιστοποίηση της ανθικής έκθεσης επιδεικνύεται από άνθη φυτικών ειδών που έχουν επιφάνειες πετάλων με μηδενική καμπυλότητα. Τα δεδομένα που προέκυψαν από μικροσκοπία ατομικής διακριτικότητας υπήρξαν η αφορμή για την απόπειρα συσχέτισης του χρώματος των πετάλων των ανθέων με την αδρότητα των αντίστοιχων επιφανειών. Εφαρμόστηκαν πολλές πιθανές συναρτήσεις με γνώμονα την καλύτερη προσαρμογή στα πειραματικά δεδομένα. Τελικά επιλέχθηκαν δύο συναρτήσεις, η μία εκ των οποίων ήταν περιοδική με αποσβενυμένο πλάτος και η δεύτερη δίκλαδη με εκθετικό και παραβολικό κλάδο. Το σύνολο των παραμέτρων των συναρτήσεων περιέχει σταθερές όπως η χρυσή τομή και το μήκος της μέγιστης οπτικής οξύτητας για το ανθρώπινο μάτι. Επιπλέον, μελετήθηκε η επιφάνεια γυρεόκοκκων από άνθη των φυτικών ειδών Anemone coronaria, Chrysanthemum coronarium και Cistus creticus με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης και τα αποτελέσματα επεξεργάστηκαν με ειδικό λογισμικό. Σε δομικά χαρακτηριστικά των επιφανειών των γυρεοκόκκων υπάρχουν ποικίλσεις που σχετίζονται με διαφορετικές ιδιότητες, όπως απεντοπισμός τάσεων, διαβρεξιμότητα και δυνατότητα κύλισης.Οι νόμοι της Οπτικής και η διανυσματική ανάλυση υπήρξαν η βάση για τη δημιουργία ενός μοντέλου για την ανάλυση των οπτικών ιδιοτήτων των δομών που υπάρχουν στις επιφάνειες των ανθικών ιστών. Στο μοντέλο (CroSeRT) χρησιμοποιήθηκαν τα ψηφιοποιημένα δεδομένα που προέκυψαν από την οπτική μικροσκοπία των εγκάρσιων τομών των πετάλων των ανθέων Nerium oleander, Myrtus communis και Oxalis pes-caprae και προγραμματίστηκε μοντέλο σε γλώσσα ForTran. Από την προσομοίωση της πορείας της ακτίνας του ορατού φωτός μέσα από εγκάρσιες τομές πετάλων Nerium oleander προέκυψαν αποτελέσματα σχετικά με την επίδραση του σχήματος των επιδερμικών κυττάρων της άνω (adaxial) και κάτω επιδερμίδας (abaxial), της γωνίας πρόσπτωσης της ακτινοβολίας και του μήκους κύματος της ανακλώμενης ακτινοβολίας. Επίσης, διερευνήθηκε η επίδραση της κηρώδους επιεφυμενιδιακής στιβάδας και η παρουσία φαινομένων ενισχυτικής συμβολής του φωτός. Σχεδιάστηκε ακτινικό και κυματικό μοντέλο, το οποίο βρίσκεται σε συμφωνία με πειραματικά αποτελέσματα με συμβολόμετρο Nomarski. Σε εγκάρσιες τομές πετάλων από άνθη Oxalis pes-caprae εφαρμόστηκε ένα υπο-πρόγραμμα του μοντέλου CroSeRT για τη μελέτη της εστίασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας σε θηλώδη επιδερμικά κύτταρα. Επιβεβαιώθηκε η υπόθεση ότι το φως εστιάζεται στο εσωτερικό των κυττάρων (κύτταρα φακοί) που βρίσκονται στην άνω επιδερμίδα των πετάλων και διερευνήθηκε η μετατόπιση το σημείου εστίασης κατά τη διάρκεια της ημέρας. Δεδομένα της ηλιακής φασματικής έντασης που προέκυψαν από μετρήσεις με φορητό φασματοραδιόμετρο εισήχθηκαν στον αλγόριθμο εστίασης και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το σημείο εστίασης του φωτός μετατοπίζεται περιοδικά κατά τη διάρκεια της ημέρας, σε απόσταση νανομέτρων. Η διαπίστωση αυτή υποστηρίζει την υπόθεση της παρουσίας ενός συμπληρωματικού μηχανισμού «πρόσληψης» ή «αντίληψης» του χρόνου από άνθη που ανοίγουν και κλείνουν με ημερήσιο ρυθμό, σε συνεργασία με ενδογενή ταλαντωτή.Το χρώμα των λουλουδιών που γίνεται αντιληπτό από το ανθρώπινο είδος και εμφανίζεται κυρίως στα πέταλα φαίνεται πως αποτελείται από δύο συνιστώσες, εκ των οποίων η μία σχετίζεται με ανθικές χρωστικές (pigmented color) και η άλλη με δομικά χαρακτηριστικά (structural color). Το δομικό χρώμα (structural color). προέρχεται από φαινόμενα κυματικής συμβολής του φωτός στις επιφάνειες των ιστών. Η σύγκριση μεταξύ φασματοφωτομετρικών μετρήσεων από εκχυλίσματα πετάλων και νωπά άθικτα πέταλα φυτικών ειδών (π.χ. Cistus creticus, Erodium malacoides, Lysimachia arvensis, Myrtus communis, Oxalis pes-caprae, Papaver rhoeas), ενισχύει τις απόψεις που διατυπώνονται στη βιβλιογραφία περί δομικού χρώματος. Αν δεν υπάρχει δομικό χρώμα, τότε ο μετασχηματισμός της καμπύλης απορρόφησης που προκύπτει από την εκχύλιση των χρωστικών ιστών σε καμπύλη απορρόφησης των νωπών ιστών θα έπρεπε να είναι επιτυχής. Η αποτυχία αυτού του μετασχηματισμού, που βασίζεται στο γεγονός ότι οι δύο καμπύλες διέφεραν (στις πειραματικές διεργασίες που πραγματοποιήθηκαν), αποτελεί ένδειξη για την παρουσία δομικού χρώματος. Για παράδειγμα, η περίπτωση της σύγκρισης των αποτελεσμάτων από τα κυανά πέταλα ανθέων Lysimachia arvensis είναι ενδεικτική της αποτυχίας μετασχηματισμού της καμπύλης απορρόφησης του εκχυλίσματος. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση με λογισμικό επεξεργασίας εικόνας WsXM. Η ανάλυση Fourier σε εγκάρσιες τομές της άνω επιφάνειας πετάλων Lysimachia arvensis με δεδομένα δομικά χαρακτηριστικά, από τη μικροσκοπία ατομικής διακριτικότητας, απέδειξε ότι η παρουσία περιοδικότητας πτυχώσεων προκαλεί την ενισχυτική συμβολή του φωτός. H κατακόρυφη απόσταση μεταξύ των επαναλαμβανόμενων πτυχώσεων στην άνω επιδερμίδα πετάλων από άνθη του φυτικού είδους Lysimachia arvensis είναι της τάξης των 200 nm, δηλαδή υποπολλαπλάσιο του μήκους κύματος στην περιοχή του κυανού της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας.