Растительные клетки: стеклообразное состояние и фазовые переходы

Исследование Университета Амстердама показывает, что внутренняя среда растительной клетки может вести себя как жидкость или как твёрдое тело в зависимости от интенсивности света. Хлоропласты в клетках растений представляют собой активную форму материи, способную к драматическим фазовым переходам.

Движение в ответ на свет

Хлоропласты — зелёные компоненты клеток, осуществляющие фотосинтез (превращение солнечного света в химическую энергию). Они способны активно перемещаться внутри цитоплазмы:

• В условиях слабого света они распространяются, чтобы захватить максимум света.
• При ярком свете они быстро "убегают", чтобы избежать фото-повреждений.

Таким образом, движение хлоропластов одновременно максимизирует фотосинтетическую эффективность и минимизирует ущерб.

Стеклообразное поведение

Исследователи изучили коллективную самоорганизацию хлоропластов с точки зрения физики. Их работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Ключевой вывод: в тусклом свете хлоропласты формируют монослой, демонстрирующий стеклообразные свойства. Стекло — это жёсткая фаза материи, состоящая из плотно упакованных, но неупорядоченных частиц.

В отличие от простых атомов, хлоропласты — активная материя: они используют энергию для генерации собственного движения и взаимодействуют с уникальной внутриклеточной средой.

На грани перехода

Отслеживая движения хлоропластов у растения Elodea densa и сравнивая данные с новой математической моделью, учёные обнаружили, что система настроена близко к переходу между стеклообразным и жидким состоянием.

Признак близости к переходу: даже в стеклообразном состоянии при слабом свете не все хлоропласты неподвижны. Периодически один хлоропласт резко "вырывается" со своего места, проходит мимо нескольких других и снова застревает. Иногда этот всплеск движения провоцирует цепь скоординированных перемещений соседних хлоропластов.

Заключение исследователей: Нахождение близко к стеклянному переходу позволяет хлоропластам быстро переключаться в жидкообразную фазу для эффективного избегания яркого света. Эта система представляет собой интригующую модель для будущих исследований плотной активной и живой материи.