Учёные выяснили, как механическое напряжение формирует растения

Учёные из Наньянского технологического университета (Сингапур) и Университета Карнеги — Меллон (США) обнаружили, как механические силы влияют на форму листьев растений и лепестков цветов.

Хотя генетические и биомолекулярные механизмы, приводящие к сложным 3D-формам органов растений, широко изучены, роль биомеханических факторов оставалась неясной.

В своей последней статье, опубликованной в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), исследователи объединили количественные измерения живых растений с компьютерным моделированием, чтобы показать, как механическое напряжение и деформация влияют на форму листьев.

Рост листа модулируется его фактором роста — природным веществом, способным стимулировать рост, пролиферацию и дифференцировку живых клеток. Там, где концентрация фактора роста выше (обычно в части ближе к краю листа), лист растёт быстрее, что приводит к дополнительным напряжениям, которые в конечном итоге изгибают или деформируют лист в различные возможные 3D-формы.

Авторы построили фазовую диаграмму, показывающую, как каждая из четырёх распространённых геометрий листа — скручивание, спиральное скручивание, седлообразный изгиб и волнообразный край — связана с определёнными комбинациями параметров.

Манипулируя ключевыми параметрами — значением степенного показателя, определяющего профиль деформации, и максимальным значением деформации, — учёные воспроизвели эти геометрии в гидрогеле, формирование которого имитирует рост растений.

Эти результаты помогают объяснить и дают представление о том, как формируются органы растений, предоставляя научное понимание, необходимое для создания биоинспирированных 3D-структур в мягких материалах, таких как гидрогели.