Как одноклеточная водоросль избегает яркого света: открытие механизма "сжатия" хлоропласта

Организмы нуждаются в солнечном свете, но избегают слишком яркого освещения. Для подвижных форм это просто: животные прячутся в укрытие. Но как справляются с этой задачей неподвижные одноклеточные организмы? Исследователи из Амстердамского университета нашли ответ, изучая водоросль Pyrocystis lunula.

P. lunula — это динофлагеллята, известная тем, что заставляет море светиться синим цветом. Как и растения, она использует хлоропласт для преобразования солнечной энергии. Однако, в отличие от растений, которые могут перегруппировывать хлоропласты в клетке, P. lunula имеет хлоропласт в форме сложной сети.

Решение: сжимающийся хлоропласт

Биофизики Nico Schramma, Gloria Casas Canales и Maziyar Jalaal с помощью микроскопии и компьютерных алгоритмов отследили, что происходит с хлоропластом водоросли при изменении освещённости.

Ключевое открытие: хлоропласт не может "убежать" от света, но может уменьшить его воздействие, сжимаясь.

• При ярком белом свете (аналог солнечного дня) хлоропласт сжимался в шар, уменьшая свой размер примерно на 40% в течение пяти минут.
• В условиях тусклого красного света в течение получаса хлоропласт возвращался к исходным размеру и форме.

Способность к такому равномерному сжатию обеспечивает сеть тонких филаментов. Эта структура позволяет хлоропласту сокращаться во всех направлениях одновременно, что нехарактерно для большинства природных материалов (например, раздавленный лимон уменьшается в высоту, но расширяется в стороны).

Связь с математикой и материаловедением

Структура, позволяющая хлоропласту равномерно сжиматься, оказалась аналогичной сфере Хобермана — игрушке-трансформеру, запатентованной в 1988 году. Это связывает биологическое открытие с областью математики топологией и дизайном материалов.

Искусственные материалы с такими свойствами ("умные материалы", меняющие характеристики под внешним воздействием) активно разрабатываются. Оказывается, подобные ingenious решения уже существуют в живой природе.

Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences. Открытие не только объясняет, как неподвижные динофлагелляты защищаются от яркого света, но и предлагает ценные идеи для создания новых инженерных материалов.