Как листья сохраняют структуру, становясь пористыми

Команда исследователей (инженер-механик, биолог растений и физик-прикладник) выяснила, как внутренний слой листа — губчатая мезофилла — развивается из плотно упакованных сфер в пористую, но механически стабильную структуру. Результаты опубликованы в Journal of the Royal Society Interface.

Парадокс губчатой мезофиллы

Губчатая мезофилла — это пористая сеть клеток, где происходит фотосинтез: CO2 поступает снизу, свет — сверху. На ранних стадиях клетки этого слоя почти сферические и плотно упакованы. Для фотосинтеза им нужно "разрыхлиться", создав воздушное пространство. Возникает вопрос: почему при этом лист не теряет прочность?

"Губчатая мезофилла развивается в очень пористый материал, сохраняя свойства твёрдого тела. Это парадокс: листу нужна эта лабиринтная структура для диффузии CO2, но он должен оставаться механически стабильным", — пояснил профессор Кори О'Херн.

Метод исследования

Учёные использовали конфокальную микроскопию для получения изображений клеток на разных стадиях развития листа резуховидки Таля (Arabidosis thaliana) — модельного растения с быстрой всхожестью и известным геномом.

На основе этих данных они создали вычислительную модель, описывающую форму отдельных клеток и силу их сцепления, а затем смоделировали развитие ткани, "растягивая" её со всех сторон. Исследователи измерили форму всех клеток и пористость мезофиллы (соотношение клеточного материала и воздуха), проследив морфогенез от ранних до поздних стадий.

Ключевое открытие

Клетки не просто "разрыхляются". Они меняют форму со сферической на вытянутую и многодольчатую, при этом продолжая давить наружу. Их сдерживает эпидермальная ткань листа. Это взаимное давление и сцепление клеток позволяет структуре оставаться цельной, несмотря на увеличение пористости.

Перспективы

  • Биология: Модель планируют применить к другим видам растений, чтобы объяснить разнообразие структур губчатой мезофиллы.
  • Бионика: Понимание принципов самосборки листа может помочь в создании искусственных фотосинтетических материалов в лаборатории.