Растения более динамичны, чем это кажется
Внутренняя часть растительной клетки больше похожа на жидкость или твердое тело? Хотя это может показаться странным вопросом, исследования, проведенные в Амстердамском университете, показывают, что это может быть и то, и другое, в зависимости от того, сколько света вы на него направляете. Хлоропласты в растительных клетках представляют собой активную форму вещества, которая претерпевает резкие фазовые переходы.
Вопрос о том, как растения чувствуют окружающую среду и реагируют на нее, интересовал ученых и философов с древних времен. Более двух тысячелетий назад Платон писал в своем «Тимее», что у растений есть «душа», которая испытывает «ощущение, удовольствие, боль и желание», но лишена «рассудка и разума».
Хотя современные ученые в основном согласятся с этой поэтически выраженной оценкой, они не согласятся с последующим утверждением Платона о том, что растения «лишены способности к самодвижению», укоренение не означает, что растения не могут двигаться. Подумайте о молодых подсолнухах, каждый день следящих за солнцем, или о комнатном растении, растущем к солнечному окну.
В гораздо более коротком временном масштабе хлоропласты в растительных клетках будут быстро двигаться в ответ на изменение интенсивности света. Хлоропласты — это зеленые компоненты растительных клеток, которые проводят фотосинтез — процесс превращения солнечного света в химическую энергию. Они не являются стационарными внутри клетки, они могут использовать белки своих мембран для перемещения по цитоплазме.
В условиях низкой освещенности хлоропласты расширяются, чтобы захватить максимальное количество света. Однако чрезмерное воздействие яркого света наносит им вред, а этой судьбы они избегают, быстро убегая. Таким образом, движение хлоропластов одновременно максимизирует эффективность фотосинтеза и минимизирует фотоповреждения.
Несмотря на десятилетия исследований этого внутриклеточного движения, остается много открытых вопросов о том, как хлоропласты организуются коллективно. Исследователи Амстердамского университета Нико Шрамма, Синтия Перугачи Исраэльс и Мазияр Джалаал решили изучить это поведение с точки зрения физики. Их статья опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Наши результаты показывают, что при тусклом свете хлоропласты образуют монослой, который проявляет свойства стекла. Это демонстрирует удивительную связь между этой биологической системой и богатой областью физики стекла», — объясняет Шрамма. Стекло — это не просто оконный материал, это твердая фаза материи, состоящая из частиц, которые плотно упакованы, но неаккуратно расположены.
В отличие от простых атомов (которые на самом деле являются неодушевленными), хлоропласты могут использовать энергию для собственного движения. Кроме того, хлоропласты подвержены влиянию своей уникальной внутриклеточной среды и взаимодействуют с ней. Это делает стекловидную фазу захватывающей новой формой «активной» материи.
Нахождение в стеклообразном состоянии полезно для обеспечения максимально возможного сбора света в условиях низкой освещенности, потому что хлоропласты расположены идеально. При воздействии яркого света это стекловидное состояние быстро «тает» в жидкость, в которой быстро перемещаются хлоропласты.
Отслеживая и анализируя светозависимые движения хлоропластов в растениях Elodea densa и сравнивая это с недавно разработанной математической моделью, исследователи обнаружили, что хлоропласты настроены так, чтобы быть близкими к переходу между стекловидным и жидким состояниями.
Верным признаком близости к этому переходу является то, что даже в стекловидном состоянии при слабом освещении не все хлоропласты сидят неподвижно. Время от времени хлоропласт внезапно вырывается из своего положения, минуя несколько других, прежде чем снова застрять. В некоторых случаях этот всплеск движения запускает цепь скоординированных движений в близлежащих хлоропластах.
«Близость к стеклованию позволяет хлоропластам быстро переключаться в жидкую фазу для эффективного движения, избегающего света», — заключает Шрамма. Помимо своей биологической значимости, светозависимые динамические фазы хлоропластов Elodea densa представляют собой интригующую модельную систему для будущих исследований плотной активной и живой материи.
