Физика заставляет грибы расти по спирали
Биология полна примерами того, как растения вращаются, пока растут. Однако, одни растения начинают вращение по часовой стрелке, позже «переключаясь» на противоположное направление. Другие – растут наоборот. Существовавшие ранее объяснения этого феномена были не полными, но работа, опубликованная недавно американскими и английскими физиками в журнале Physical Review Letters, приоткрывает завесу тайны над этим феноменом в случае с грибами Phycomyces blakesleeanus. В модели, представленной учеными, оба направления вращения равноправны и проявляются случайным образом в разных областях растения, являясь результатом механических напряжений. Таким образом, на различных стадиях роста преобладает какое-то свое направление. В опубликованной работе ученые предлагают несколько базовых принципов, которые в будущем могут послужить для объяснения других примеров спирального роста.
Несмотря на то, что грибы Phycomyces blakesleeanus являются одноклеточными, их стебель, держащий на себе сферическую емкость со спорами, достигает высоты в 10 см. В процессе роста этот стебель подвергается вращению в различных направлениях. Вначале этот цилиндрический стебель толщиной 100 мкм в процессе удлинения вращается против часовой стрелки; примерно после часа такого роста, стебель спонтанно меняет направление вращения и сохраняет его в течение двух дней. Иногда (но не всегда) происходит обратное спонтанное «переключение» еще до того, как закончится рост.
Исследования различных спиральных или винтовых биологических образцов в различных формах жизни часто обнаруживают наличие некой привилегированной ориентации или анизотропию на клеточном уровне, следствием которой и является формирование спирали. Однако анизотропия, обнаруженная в стебле удивительного гриба, кажется, отвечает только за вращение по часовой стрелке.
Стебель представляет собой набор волокон, закрученных против часовой стрелки вокруг оси роста. Подобное строение обуславливает так называемое «раскручивание», т.е. вращение стебля во время роста по часовой стрелке. Но вот начальное вращение против часовой стрелки объяснить гораздо сложнее. Ранние исследования пытались сформировать теорию на основе начальных движений отдельных волокон, что было чрезвычайно трудно для наблюдения. Теперь же совместная группа ученых из США и Великобритании (University of Oxford и University of Arizona) предложили другой подход, на основе которого создали математическую модель, объясняющую все вращения Phycomyces blakesleeanus.
Ученые предположили, что в специальной зоне роста (на «вершине» стебля) происходит постоянное добавление материала, из которого состоят волокна. Поскольку стебель растет как виноградная лоза, это заставляет его вращаться против часовой стрелки. Это вращение «конкурирует» с вращением по часовой стрелке, обусловленным «раскручиванием». Тот эффект, который в данный момент сильнее (а это определяется геометрией волокон в стебле, которая изменяется по мере его удлинения), и определяет итоговое направление вращения.
Модель весьма примечательна тем, что позволяет объяснить оба направления вращения стебля во время роста, а также моменты переключения направления вращения, без необходимости вникать в сложные биологические процессы регуляции. Ученые считают, что их исследования могли бы иметь весьма широкое применение, т.к. позволяют связывать биохимическую структуру с биологическими функциями и формой.
