Οπτικές και φωτονικές ιδιότητες πετάλων από άνθη φυτών του μεσογειακού οικοσυστήματος
Authors: Γκίκας Δημήτριος 
Published: September 2021

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.