Слишком много хорошего – не значит хорошо. Живые организмы любят солнечный свет – на самом деле, он необходим для поддержания жизни, – но они стараются избегать слишком яркого света. Животные уходят в свои жилища, люди устраивают сиесту, даже растения имеют механизмы, позволяющие избежать передозировки света. Но как неподвижные одноклеточные организмы справляются со слишком интенсивным светом? Исследователи из Амстердамского университета нашли удивительный ответ. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Её полное научное название Pyrocystis lunula. Возможно, вы никогда не слышали об этой одноклеточной водоросли, но моряки и рыбаки хорошо знают ее действие: водоросли P. lunula – это организмы, которые иногда заставляют воду светиться синим цветом. P. lunula является примером динофлагеллята – одноклеточного организма, который не может самостоятельно передвигаться. Его основным источником энергии является солнечный свет: подобно растениям, он использует структуру, известную как хлоропласт, для преобразования энергии солнечного света в химическую энергию, которую можно использовать.
Окружающие нас растения используют хитрую стратегию, когда на них попадает слишком яркий свет: их хлоропласты перестраиваются внутри клеток и закрывают друг друга, таким образом поглощая только необходимое количество света и предотвращая повреждение клеток. P. lunula не может использовать такую же стратегию: ее хлоропласты организованы в виде сложной сети, что требует другой формы движения, чтобы избежать яркого света. Кроме того, водоросль не может легко уходить от света, как это делают животные и люди. Как эти организмы справляются с чрезмерным количеством света, оставалось загадкой для ученых. Теперь она решена.
Биофизики придумали хитрый способ изучить, что именно происходит с хлоропластом P. lunula, когда он подвергается воздействию света. Используя микроскопию, они сняли видеоролики клетки и ее хлоропласта, а затем с помощью компьютерных алгоритмов подогнали сеть узлов и ребер к ее сложной форме. В условиях меняющегося цвета и интенсивности света они могли проследить, что именно делает хлоропласт клетки.
Исследователи обнаружили, что, хотя хлоропласт не может избежать интенсивного света, он может минимизировать его воздействие, уменьшившись в размерах. При воздействии яркого белого света – по сути, света солнечного дня – хлоропласт клетки сжимался в шар, уменьшаясь в размере примерно на 40% в течение 5 минут. Когда условия освещения были изменены на тусклый красный свет, уже через полчаса хлоропласт вернулся к своему первоначальному размеру и форме.
Оказалось, что структура, позволяющая хлоропласту совершать необходимые изменения, представляет собой сеть тонких нитей. Вместе они образуют материал, который может легко сжиматься и расширяться во всех направлениях. Ключевой момент – «во всех направлениях»: большинство структур, которые мы находим в природе, не обладают этим свойством. Наступите на лимон, и в то время как его высота резко уменьшится, его размер увеличится в других направлениях, превращая его в дискообразный объект, который все еще имеет значительную площадь поверхности. P. lunula удается избежать такого естественного поведения.
Структура, позволяющая хлоропласту уменьшаться в размерах во всех направлениях, чем-то напоминает сферу Хобермана – конструкцию, запатентованную Чаком Хоберманом в 1988 году и используемую в популярных детских игрушках. Это наблюдение связывает исследования физиков не только с биологией, но и с математикой – точнее, с ее разделом, известным как топология, – и с дизайном материалов: лабораторные материалы, обладающие именно теми удивительными свойствами, которые демонстрируют сфера Хобермана и хлоропласт P. lunula, в последнее время интенсивно изучаются на предмет всевозможных применений – например, в качестве «умных материалов», существенно меняющих свои свойства при воздействии внешних раздражителей. Удивительно, но умные решения, которые инженеры и физики придумывают в лабораториях, находят применение в живой природе.
Когда находится ответ на один научный вопрос, иногда за ним следует множество других ответов и открытий. Так может быть и с вопросом о том, как P. lunula и другим динофлагеллятам удается избегать яркого света. Ответ на этот вопрос не только расскажет нам больше об этом крошечном одноклеточном организме, который иногда заставляет море светиться, но и научит понимать структуры в природе, применять сложную математику и преподаст ценные уроки, которые мы сможем использовать при разработке новых материалов.
[Фото: UvA IoP / Nico Schramma]
