植物細(xì)胞承受著巨大的壓力。為了防止自己爆裂，植物必須提出一些獨(dú)特的東西：據(jù)科隆馬克斯普朗克植物育種研究所的科學(xué)家稱(chēng)，不規(guī)則形狀的表皮細(xì)胞比圓形和其他形狀均勻的細(xì)胞更能承受內(nèi)部壓力。

非木本植物沒(méi)有骨架來(lái)支撐它們。因此，為了保持直立和抵抗環(huán)境力，他們的細(xì)胞被構(gòu)造成充氣氣球。因?yàn)榧?xì)胞質(zhì)含有比細(xì)胞周?chē)邼舛鹊娜芙馕镔|(zhì)，所以外部的水流入細(xì)胞，產(chǎn)生所謂的膨壓?？梢赃_(dá)到20巴或更高的Turgor壓力壓在細(xì)胞壁上。為了抵抗這種壓力，墻壁由剛性纖維增強(qiáng)的剛性凝膠制成，這些纖維不斷重新排列以使細(xì)胞生長(zhǎng)。

然而，根據(jù)科隆研究人員的調(diào)查結(jié)果，單獨(dú)的細(xì)胞壁并不總是足以防止植物細(xì)胞爆裂。盡管植物內(nèi)部細(xì)胞的壓力被相鄰細(xì)胞的壓力抵消，但表面細(xì)胞暴露于特別高的壓力。

這可能解釋了許多植物表面細(xì)胞的非凡形狀嗎?表皮細(xì)胞看起來(lái)像拼圖塊，帶有互鎖的標(biāo)簽和口袋。科學(xué)家們使用專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)模型計(jì)算出各種形狀細(xì)胞的內(nèi)部壓力。“由于它們的形狀不規(guī)則，表面細(xì)胞能夠顯著減少由膨脹壓力引起的機(jī)械應(yīng)力。形狀像拼圖的細(xì)胞需要更少的細(xì)胞壁來(lái)抵抗膨脹，可能節(jié)省植物的重要資源，”馬克斯普朗克研究所的理查德史密斯說(shuō)。用于植物育種研究。

形式跟隨增長(zhǎng)

然而，并非所有植物表皮細(xì)胞都形成為拼圖塊。因此，科學(xué)家比較了各種植物，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞形狀取決于器官如何生長(zhǎng)：“具有優(yōu)先生長(zhǎng)方向的器官，如根和莖，通常具有圓柱形細(xì)胞。相比之下，葉子在或多或少均勻生長(zhǎng)。所有方向，幾乎總是有不規(guī)則形狀的表皮細(xì)胞，“史密斯說(shuō)。在用轉(zhuǎn)基因植物進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，它們表明表皮細(xì)胞的形狀取決于生長(zhǎng)的類(lèi)型。例如，如果擬南芥(擬南芥)經(jīng)過(guò)基因改造以使其葉子具有主要的生長(zhǎng)方向，則表皮細(xì)胞呈現(xiàn)規(guī)則而不是拼圖形狀。

細(xì)長(zhǎng)的細(xì)胞，或具有??謎題形狀的細(xì)胞，沒(méi)有大的開(kāi)放區(qū)域，在沒(méi)有交叉壁的支撐的情況下傾向于凸出，并且能夠更好地承受膨脹壓力。研究人員用虛擬植物組織的機(jī)械計(jì)算機(jī)模型證實(shí)了這一假設(shè)。然后，他們繼續(xù)開(kāi)發(fā)一種不斷增長(zhǎng)的模型，細(xì)胞根據(jù)壓力改變其形狀。當(dāng)科學(xué)家們向各個(gè)方向生長(zhǎng)虛擬表皮時(shí)，表皮就像一個(gè)拼圖游戲。相反，當(dāng)表皮主要在一個(gè)方向上生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)胞被均勻地成形。通過(guò)改變其他參數(shù)，例如最大開(kāi)放區(qū)域的最大尺寸，或墻壁的剛度，程序甚至能夠產(chǎn)生自然界中出現(xiàn)的其他細(xì)胞形狀。

沒(méi)有信號(hào)分子的通訊?

根據(jù)他們的模型，發(fā)生各種細(xì)胞形狀而不需要細(xì)胞通過(guò)化學(xué)信使彼此通信。很多工作都集中在想要形成標(biāo)簽的單元格可以使用這樣的化學(xué)信使告訴其鄰居騰出空間并形成相應(yīng)的口袋的想法。“我們不知道是否涉及化學(xué)信使，但我們的模型顯示它不是必需的，”史密斯說(shuō)。相反，細(xì)胞也可以通過(guò)它們對(duì)鄰居施加的力量進(jìn)行通信并觸發(fā)形狀變化。

該研究提供了幾何學(xué)如何影響細(xì)胞力學(xué)的見(jiàn)解，以及當(dāng)植物“生長(zhǎng)”其結(jié)構(gòu)時(shí)植物如何利用細(xì)胞形狀來(lái)優(yōu)化其資源利用。今天，存在許多生物學(xué)啟發(fā)的合成材料。拼圖形狀以及植物如何利用它可以為新材料和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的見(jiàn)解，有可能為依賴(lài)于充氣“細(xì)胞”形狀的建筑物的設(shè)計(jì)提供信息。隨著科學(xué)家們開(kāi)始探索成長(zhǎng)的材料，這些應(yīng)用將變得尤為重要。