植物的叶绿体会“跳舞”，还会随光线的强弱改变
图片来源：Pixabay
撰文｜艾莉森·帕歇尔（Allison Parshall）
翻译｜黄晨
在细胞水平上，植物拥有活跃的生命力。当植物在光线下暴露几秒钟，其体内的一些叶绿体（植物中的一种细胞器，能将光转化为能量）就会开始四处乱窜，直到光线变暗，它们才会凝聚并平整地铺开。
荷兰阿姆斯特丹大学的物理学家尼科·施拉马（Nico Schramma）说：“这些叶绿体拥有一种令人着迷且优秀的组装行为。”在一项新研究中，他和同事发现，在弱光条件下，植物中的叶绿体会紧密堆积在细胞壁上，变成一种“非晶态物质”。这一研究结果有助于解释叶绿体如何在刚性固态和流动液态之间转换，以便更好地吸收阳光。
在物理学家看来，“非晶态物质”泛指一大类固态物质。硬糖果是非晶态物质，塑料也是。基于一些标准，涂抹在食物上的蛋黄酱也可以归为这类物质。冰之类的晶体结构的形成是因为粒子的有序排列，而这些“非晶态物质”的形成是由于液体状态下无序的粒子被压缩到无法再移动。
施拉马的研究团队发现叶绿体也可以经历类似的过程。这些物理学家在不同的光照条件下，追踪了水生植物水蕴草（Elodea densa）中的叶绿体，并建立了一个运动模型。他们很快在这些数据中识别出了非晶态系统的特征。研究结果表明，在弱光条件下，单个叶绿体并不会减速，而是会聚集在一起并相互阻滞。该研究已于近日发表在《美国科学院院刊》（PNAS）上。
美国雪城大学（Syracuse University）的生物物理学家莉萨·曼宁（Lisa Manning，未参与这项研究）表示，这些发现“非常具有说服力，表明植物中的叶绿体能进行非晶态转变”。研究人员表示，了解这一过程后，物理学家也会将这个过程视作一种熟悉的系统，进而研究叶绿体的复杂动力学。
这些结果还揭示了其他一些具有非晶体特性的生物系统隐藏的相似之处。这种非晶态转变是为了达成一个重要的目的：灵活性。例如，发育中的胚胎会在流体和固体状态之间转变，而坚固的肿瘤会变成类似流体的形式，以便扩散到机体全身。
在缺乏阳光时，叶绿体形成非晶态后，能平整地铺开——就像一只晒太阳的猫，以便尽可能多地吸收光线。但是，如果光线太强，就会损害叶绿体，这时它们会在细胞内迂回、闪避，以将暴露的面积降至最低。美国印第安纳大学布卢明顿分校的植物生物学家罗杰·汉加尔特（Roger Hangarter）说：“我们通常认为植物并不具有很强的‘能动性’，但在细胞水平上，它们活跃的程度几乎和其他生命体相当。”
不过，汉加尔特也在质疑这项关于水蕴草的研究能否拓展到其他植物。研究人员计划在未来的研究中与分子生物学家合作，将更多生物学上的细节整合到他们以物理学为基础开发的模型中。
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