Вести Науки: последние открытия, тенденции и мифы в области науки и техники.

В чём секрет механической универсальности растительной клетки

  • Автор  Антонина Кузьмина

Учёные пытаются ответить на вопрос, как растениям удаётся из одних и тех же строительных материалов создавать структуры прочные и непрочные, жёсткие и мягкие.

В чём секрет механической универсальности растительной клетки
Прошитые целлюлозой стенки клеток растительной паренхимы (фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc.).

Механические свойства растений до сих пор служат инженерам примером для подражания. Если взять, например, яблоко и сравнить его по прочности и жёсткости с древесиной кокосовой пальмы, то пальма окажется в 100 тыс. раз более жёсткой и тысячекратно более прочной. Но не следует думать, что есть только эти крайности: диапазон между ними заполнен множеством видов растений с варьирующимися механическими характеристиками их тканей. И везде в основе лежит растительная клетка, то есть растениям удаётся достичь такого разнообразия механических характеристик, применяя одни и те же строительные элементы.

Как это у них получается, попробовала выяснить Лорна Гибсон, исследователь из Массачусетского технологического института (США). В статье, опубликованной в Journal of the Royal Society Interface, она сравнивает данные, полученные ею самой и из экспериментов других научных групп. Рассматриваются три растительных «стройматериала»: обычная древесина, паренхима, из которой состоит большая часть корнеплодов и фруктов, и ткани, составляющие ствол древовидных пальм вроде кокосовой. В результате г-жа Гибсон приходит к выводу, что весь диапазон механических характеристик зависит от нескольких параметров, определяющих микроструктуру растительных тканей: ориентации клеточных стенок, числа слоёв в них, направления целлюлозных нитей в стенках и того, как много места клеточные стенки занимают в тканях.

В обычных деревьях, таких как дуб или клён, клетки прирастают слоями камбия, образуя годовые кольца. Клеточные стенки в древесине сложены из нескольких слоёв, и самый внешний образован волокнами целлюлозы, не имеющими чётко выраженной ориентации. Затем идут ещё три слоя волокон, которые складываются в спирали и определённым образом сорганизованы с лигнином. В итоге клеточная стенка занимает бóльшую часть клеточного пространства. Кроме того, клетки в древесине организованы, как ячеистые соты, что добавляет дереву жёсткости и прочности.

Клеточные стенки во фруктах и овощах, напротив, чрезвычайно тонкие и состоят лишь из одного слоя целлюлозных волокон. Эти волокна, ориентированные в паренхимных клетках произвольно, служат опорой для матрикса, состоящего из относительно мягких гемицеллюлозы и пектина; лигнина же в таком матриксе нет. Клетки плотно упакованы, но из-за отсутствия лигнина и единой ориентации целлюлозных волокон ткани фруктов и овощей значительно менее прочны по сравнению с древесиной.

По отдельному пути пошли древовидные пальмы: они достигают большой высоты, но при этом не слишком увеличивают радиус ствола. Пальмы не наращивают слои клеток, но усиливают клеточные стенки, причём делают это неравномерно: наибольшее усиление происходит с клеточными стенками у основания ствола и ближе к вершине, там, где растение испытывает наибольший механический стресс.

В чём секрет механической универсальности растительной клетки
Кокосовые пальмы на ветру (фото Larry Mulvehill).

Выбор этих параметров — число целлюлозных слоёв в клеточных стенках, ориентация и плотность волокон и т. д. — позволил, по мнению автора работы, совместить широкий диапазон механических значений с многофункциональностью. Ведь те же самые клетки должны не только служить опорой растению, но ещё и проводить питательные вещества, обеспечивать поглощение солнечного света и рост организма в целом.

Материалы, созданные человеком, отчасти воспроизводят «растительные» находки (например, ячеисто-сотовую структуру, ориентированные волокна), однако до сих пор инженерам не удавалось получить материал, который позволял бы контролировать его свойства в том же диапазоне и с той же точностью, как это делают растения. Поэтому даже в «наноэпоху» биоинженерные исследования растений оказываются весьма актуальными.

Подготовлено по материалам MIT News.

Источник




Главной целью проекта является распространение научных знаний в современной и доступной форме. Наша команда опытных журналистов стремится к популяризации научного подхода к окружающей действительности и предлагает Вам ознакомиться с последними открытиями, тенденциями и мифами в области астрономии, биологии, медицины, физики, психологии и прикладных наук. Все права на материалы, находящиеся на сайте "Вести Науки", охраняются в соответствии с законодательством РФ, в том числе, об авторском праве и смежных правах. При любом использовании материалов сайта, гиперссылка (hyperlink) на VestiNauki.ru обязательна. ©VestiNauki.ru 2011-13

Top Desktop version