Onko kasvisolun sisäpuoli enemmän nestettä vai kiinteää ainetta? Vaikka tämä saattaa kuulostaa oudolta kysymykseltä, Amsterdamin yliopistossa tehty tutkimus osoittaa, että se voi olla jompikumpi riippuen siitä, kuinka paljon valoa siihen loistat. Kloroplastit kasvisoluissa muodostavat aktiivisen aineen muodon, joka käy läpi dramaattisia faasimuutoksia.
Kysymys siitä, kuinka kasvit tuntevat ympäristönsä ja reagoivat siihen, on kiehtonut tiedemiehiä ja filosofeja siitä lähtien muinaiset ajat. Yli kaksituhatta vuotta sitten Platon kirjoitti "Timaeuksessaan", että kasveilla on "sielu", joka kokee "tuntemusta, nautintoa, kipua ja halua", vaikka siltä puuttuu "tuomiokyky ja äly".
Liikkua tai olla liikkumatta
Vaikka nykyajan tiedemiehet ovat enimmäkseen samaa mieltä tästä runollisesti ilmaistusta arviosta, he ovat eri mieltä Platonin jatkolausunnosta, jonka mukaan kasveilta on "riistetty itsensä liikkumisen voima"; juurtuminen ei tarkoita, että kasvit eivät pysty liikkumaan. Ajattele nuoria auringonkukkia, jotka seuraavat aurinkoa joka päivä, tai huonekasvia, jotka kasvavat aurinkoista ikkunaa kohti.
Paljon lyhyemmässä ajassa, kloroplastissa kasvisoluissa liikkuvat nopeasti vastauksena muutokseen valon voimakkuus. Kloroplastit ovat kasvisolujen vihreitä komponentteja, jotka johtavat fotosynteesiin, prosessiin, jossa auringonvalo muuttuu kemialliseksi energiaksi. Ne eivät ole paikallaan solussa, vaan pystyvät käyttämään proteiineja kalvoissaan liikkuakseen sytoplasmassa.
Hämärässä valossa kloroplastit leviävät vangitakseen suurimman mahdollisen valomäärän. Liiallinen altistuminen kirkkaalle valolle kuitenkin vahingoittaa niitä, minkä he välttävät nopeilla pakoliikkeillä. Siten kloroplastin liike maksimoi samanaikaisesti fotosynteettisen suorituskyvyn ja minimoi valovaurioita.
Lasimainen käytös
Huolimatta vuosikymmeniä kestäneestä tämän solunsisäisen liikkeen tutkimuksesta, on edelleen monia avoimia kysymyksiä siitä, kuinka kloroplastit järjestäytyvät kollektiivisesti. Amsterdamin yliopiston tutkijat Nico Schramma, Cintia Perugachi Israëls ja Maziyar Jalaal päättivät tutkia tätä käyttäytymistä fysiikan näkökulmasta.
Heidän artikkelinsa on julkaistu lehdessä Proceedings of National Academy of Sciences.
”Tuloksemme osoittavat, että hämärässä valossa kloroplastit muodostavat yksikerroksisen kerroksen, jossa on lasimaisia piirteitä. Tämä osoittaa yllättävän yhteyden näiden välillä biologinen järjestelmä ja lasifysiikan rikas ala”, Schramma selittää. Enemmän kuin pelkkä ikkunamateriaali, lasi on jäykkä ainefaasi, joka koostuu hiukkasista, jotka ovat tiiviisti pakattuja, mutta eivät siististi järjestettyjä.
Toisin kuin yksinkertaiset atomit (jotka ovat todella elottomia), kloroplastit voivat käyttää energiaa oman liikkeensä synnyttämiseen. Lisäksi kloroplasteihin vaikuttaa ainutlaatuinen solunsisäinen ympäristö ja ne ovat vuorovaikutuksessa sen kanssa. Tämä tekee tästä lasimaisesta vaiheesta jännittävän uuden "aktiivisen" aineen muodon.
Lasimaisessa tilassa oleminen on hyödyllistä sen varmistamiseksi, että heikossa valaistuksessa kerätään mahdollisimman paljon valoa, koska kloroplastit ovat ihanteellisessa paikassa. Altistuessaan kirkas valo, tämä lasimainen tila "sulaa" nopeasti nesteeksi, jossa kloroplastit liikkuvat nopeasti.
Lähellä siirtymää
Seuraamalla ja analysoimalla kloroplastien valosta riippuvia liikkeitä Elodea densa -kasveissa ja vertaamalla tätä äskettäin kehitettyyn matemaattiseen malliin tutkijat havaitsivat, että kloroplastit on viritetty lähelle siirtymistä lasimaisen ja nestemäisen tilan välillä.
Ilmaiseva merkki tämän siirtymän läheisyydestä on se, että edes heikosti valaistussa lasimaisessa tilassa kaikki kloroplastit eivät istu paikallaan. Aina silloin tällöin kloroplasti räjähtää yhtäkkiä paikaltaan ja ohittaa useita muita ennen kuin se juuttuu uudelleen. Joissakin tapauksissa tämä liikepurske vauhdittaa läheisten kloroplastien koordinoitujen liikkeiden ketjua.
"Läsnä lasisiirtymä mahdollistaa kloroplastien siirtymisen nopeasti nestemäiseen faasiin tehokkaan valon välttämiseksi", Schramma päättää. Biologisen merkityksensä lisäksi Elodea densan kloroplastien valosta riippuvat dynaamiset faasit muodostavat kiehtovan mallijärjestelmän tulevalle tiheän aktiivisen ja elävän aineen tutkimukselle.
