ในพืช เซลล์ที่สร้างโครงสร้างภายในของใบเริ่มเป็นรูปทรงกลมอัดแน่นในช่วงแรกของการพัฒนาใบ เมื่อใบพัฒนาและขยายออก เซลล์เหล่านี้จะมีรูปร่างใหม่และคลายตัว โครงสร้างจุลภาคของใบไม้ยังคงแข็งแกร่งและไม่บุบสลาย
ทีมนักวิจัย—รวมถึงก วิศวกรเครื่องกลนักชีววิทยาพืชและนักฟิสิกส์ประยุกต์—ได้ค้นพบว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นได้อย่างไร การทำเช่นนี้ไม่เพียงแต่ตอบคำถามที่ทำให้โลกของพืชงุนงงมานาน แต่อาจนำไปสู่การผลิตวัสดุสังเคราะห์แสงที่ผลิตพลังงานได้ ผลงานของพวกเขาปรากฏใน วารสารของ Royal Society Interface.
ชั้นกลางของใบพืชเรียกว่า mesophyll ที่เป็นรูพรุน ซึ่งเป็นโครงข่ายที่มีรูพรุนของ เซลล์ ที่ไหน การสังเคราะห์แสง เกิดขึ้น ในกระบวนการนี้ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ขึ้นมาทางด้านล่างของ ใบไม้แสงแดดส่องเข้ามาทางด้านบน จากนั้นทั้งสองจะมีปฏิกิริยากันภายในเซลล์ชั้นกลาง ในระยะแรกของใบไม้ เซลล์ในชั้นนี้เกือบจะเป็นทรงกลมและรวมตัวกันแน่น อย่างไรก็ตาม หากเซลล์ยังคงอยู่ในลักษณะนี้ แสงและคาร์บอนไดออกไซด์ก็ไม่มีที่ว่างให้โต้ตอบกัน ดังนั้นเซลล์จึงคลายตัวเพื่อให้มีที่ว่างเพื่อให้สามารถสังเคราะห์แสงได้ แต่ทำไมใบไม้ถึงไม่สูญเสียโครงสร้างและแตกออกจากกัน?
Corey O'Hern ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและ วัสดุศาสตร์. “นั่นคือความขัดแย้งที่ใบไม้จำเป็นต้องสร้างโครงสร้างที่วกวนของอากาศเพื่อให้ CO แพร่กระจาย2—แต่ใบไม้ยังคงต้องคงสภาพทางกลไกไว้ได้”
เพื่อทำความเข้าใจกระบวนการที่ต่อต้านการใช้งานง่ายนี้ O'Hern และนักวิจัยคนอื่นๆ ใช้ภาพที่ถ่ายด้วยกล้องจุลทรรศน์คอนโฟคอลของเซลล์ในระยะต่างๆ ของการพัฒนาของใบไม้
“เราสร้าง แบบจำลองการคำนวณ เพื่ออธิบายรูปร่างของเซลล์แต่ละเซลล์และจำนวนเซลล์ที่เกาะติดกัน” โอเฮิร์นกล่าว "จากนั้นเราก็สร้างแบบจำลองการพัฒนาของ mesophyll ที่เป็นรูพรุนโดยการดึงเนื้อเยื่อทุกด้าน"
การศึกษาเหล่านี้รวมถึงการวัดรูปร่างของเซลล์ทั้งหมดและความพรุนของ mesophyll (นั่นคือปริมาณของวัสดุที่ประกอบด้วยเซลล์และปริมาณอากาศที่ประกอบด้วย) นักวิจัยได้จัดทำแผนการพัฒนาเซลล์ตั้งแต่ช่วงเริ่มต้นจนถึงช่วงปลายของการพัฒนา และสังเกตการที่เซลล์แปรเปลี่ยนจากทรงกลมที่อัดแน่นเป็นรูปทรงยาวและหลายแฉก
พวกเขาพบว่าแทนที่จะทำให้โครงสร้างของใบไม้แตกสลาย เซลล์ที่แผ่ขยายออกไปยังคงรักษาโครงสร้างของใบไม้เอาไว้ “สิ่งที่เกิดขึ้นคือเซลล์ในเมโซฟิลล์ที่เป็นรูพรุนยังคงดันออกด้านนอก ในขณะที่เนื้อเยื่อผิวหนังในใบจะเก็บมันไว้ข้างใน” โอเฮิร์นกล่าว
พืชชนิดใดชนิดหนึ่งที่พวกเขาพิจารณาคือ thal cress ซึ่งเป็นดอกไม้ป่าที่นักวิทยาศาสตร์รู้จักในชื่อ Arabidosis thaliana ถือเป็นแมลงวันผลไม้ที่มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการทดลอง มันงอกเร็วมากและเป็นที่ทราบกันดีถึงยีนของพืช
สำหรับการศึกษาในอนาคต นักวิจัยวางแผนที่จะนำแบบจำลองการคำนวณของตนไปใช้กับสิ่งอื่นๆ พันธุ์พืช เพื่อดูว่าแบบจำลองสามารถขยายความหลากหลายของโครงสร้าง mesophyll ที่เป็นรูพรุนได้หรือไม่ นอกจากนี้ พวกเขาต้องการนำสิ่งที่ได้เรียนรู้ไปใช้ในการสร้างเนื้อเยื่อพืชเทียม
“ถ้าเราเข้าใจวิธีการ พืช มีประสิทธิภาพมากในการสังเคราะห์แสง และสามารถเข้าใจการประกอบตัวเองของเมโซฟิลล์ในใบ บางทีเราอาจสร้างวัสดุสังเคราะห์แสงที่คล้ายกันในห้องปฏิบัติการได้”