Секретная математика растений: биологи раскрывают правила, управляющие дизайном листьев
Учёные-биологи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) обнаружили фундаментальные правила дизайна листьев, лежащие в основе способности растений производить листья, сильно различающиеся по размеру. В своём математическом дизайне листья являются «идеальными машинами», — сказал Лорен Сак, профессор экологии и эволюционной биологии и старший автор исследования.
Команда UCLA обнаружила математические взаимосвязи с помощью «аллометрического анализа», который изучает, как пропорции частей организма меняются с изменением общего размера. Этот подход использовался учёными со времён Галилея, но ранее никогда не применялся к внутренней структуре листьев.
Сообщая в октябрьском выпуске American Journal of Botany, биологи сосредоточились на том, как анатомия листа меняется у листьев разного размера. Они исследовали виды растений со всего мира, выращенные на территории кампуса UCLA.
Хотя легко наблюдать большие различия в площади поверхности листа между видами, различия в толщине листа менее очевидны, но не менее важны.
«Когда начинаешь тереть листья между пальцами, можно почувствовать, что одни листья гибкие и тонкие, а другие жёсткие и толстые», — сказала Грейс Джон, докторант UCLA и ведущий автор исследования. «Мы начали с самых простых вопросов — но таких, на которые никогда не было чёткого ответа, — например, построены ли листья, которые толще или имеют большую площадь, из клеток разных размеров или типов».
Исследователи заливали кусочки листа в пластик и делали поперечные срезы тоньше одной клетки, чтобы наблюдать микроскопическое строение каждого листа. Это позволило им проверить базовую взаимосвязь между размерами клеток и тканей и размером листа у разных видов.
Листья состоят из трёх основных тканей, каждая из которых содержит клетки с определёнными функциями: наружный слой, или эпидермис; мезофилл, содержащий клетки, осуществляющие фотосинтез; и сосудистая ткань, клетки которой участвуют в транспорте воды и сахаров. Команда обнаружила, что чем толще лист, тем больше размер клеток во всех его тканях — за исключением сосудистой ткани.
Эти взаимосвязи также применимы к компонентам отдельных клеток. Растительные клетки, в отличие от животных, окружены клеточными стенками на основе углеводов, и учёные обнаружили, что более крупные клетки толстых листьев окружены более толстыми клеточными стенками, в строгой пропорциональности.
Команда была удивлена «необычайной» силой взаимосвязей, связывающих размер клеток, толщину клеточной стенки и толщину листа у разнообразных и эволюционно далёких видов растений. Эти взаимосвязи можно описать новыми простыми математическими уравнениями, эффективно позволяя учёным предсказывать размеры клеток и клеточных стенок на основе толщины листа. В большинстве случаев обнаруженные взаимосвязи были «изометрическими».
«Это означает, что если у листа есть более крупная клетка в одной ткани, то у него есть более крупная клетка и в другой ткани, в прямой пропорции, как если бы вы увеличили лист и все его клетки в Photoshop», — сказала Кристин Скоффони, докторант UCLA и член исследовательской группы.
Напротив, площадь листа не связана с размерами клеток внутри. Это позволяет растениям производить листья с огромным диапазоном площадей поверхности без необходимости в более крупных клетках, которые были бы неэффективны в функционировании.
Команда выдвинула гипотезу, что эти сильные математические взаимосвязи возникают в процессе развития листа — процесса, в ходе которого листья формируются на ветке, вырастая из нескольких клеток, которые делятся на множество, после чего клетки расширяются, пока лист не достигнет полной зрелости. Поскольку свет может проникать только через определённое количество слоёв клеток, листья не могут сильно варьировать по количеству клеток, расположенных вертикально. Расширение отдельных клеток и их клеточных стенок происходит одновременно и отражается в толщине всего листа. С другой стороны, количество клеток, расположенных горизонтально в листе, продолжает увеличиваться по мере расширения листьев, независимо от размера отдельных клеток.
Новая способность предсказывать внутреннюю анатомию листьев по их толщине может дать ключи к функции листа, потому что толщина листа влияет как на общую скорость фотосинтеза, так и на продолжительность жизни, сказал Сак.
«Небольшая разница в толщине говорит нам больше об устройстве внутри листа, чем гораздо более драматичная разница в площади листа», — сказала Джон.
Дизайн листа даёт представление о том, как можно конструировать более крупные структуры без потери функции или стабильности.
«Такие фундаментальные открытия подчёркивают элегантные решения, выработанные природными системами», — сказал Сак. «Анатомия растений часто воспринималась как скучная. Подобные количественные открытия доказывают, насколько захватывающей может быть эта наука. Нам нужно начать восстанавливать навыки в этой области фундаментальной науки, чтобы извлекать практические уроки из тайн природы».
«Есть так много свойств листьев, которые мы ещё не можем имитировать синтетически», — добавил он. «Листья предоставляют нам чертежи для создания более крупных и лучших вещей. Нам просто нужно присмотреться достаточно близко, чтобы прочитать их».
Новые аллометрические уравнения являются важным шагом к пониманию дизайна листьев на клеточной основе, сказала Джон. И поскольку листья так разнообразны, по её словам, есть чему поучиться. В будущих исследованиях группа изучит очень близкородственные виды, чтобы выявить любые эволюционные взаимосвязи между дизайном и функцией листа.
«Что делает поперечные срезы особенно захватывающими, так это огромные вариации от одного вида к другому», — сказала Джон. «У некоторых есть относительно огромные клетки в определённых тканях, а форма клеток варьируется от цилиндрической до звёздообразной. Каждый вид прекрасен своей уникальностью. Все эти вариации нуждаются в расшифровке».