В чём секрет механической универсальности растительной клетки

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


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.

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.

Фото: Прошитые целлюлозой стенки клеток растительной паренхимы (фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc).