Hos planter starter cellerne, der danner bladenes indre struktur, som tæt komprimerede kugler i de tidlige stadier af bladudvikling. Efterhånden som bladet udvikler sig og udvider sig, antager disse celler nye former og løsner sig. Alligevel forbliver bladets mikrostruktur robust og intakt.
Et team af forskere – inklusive en maskiningeniør, plantebiolog og anvendt fysiker - har fundet ud af, hvordan dette sker. At gøre det besvarer ikke kun spørgsmål, der længe har forvirret planteverdenen, men det kan føre til fremstilling af energiproducerende fotosyntetiske materialer. Resultaterne af deres arbejde vises i Tidsskrift for Royal Society Interface.
Det mellemste lag af planteblade er kendt som det svampede mesofyl, som er et porøst netværk af celler hvor fotosyntese sker. I denne proces, carbondioxid (CO2) kommer op gennem bunden af blad, kommer sollys ind gennem toppen, og så interagerer de to i det midterste lag af celler. I et blads tidlige stadier er cellerne i dette lag næsten sfæriske og tæt pakket sammen. Men hvis cellerne bliver på denne måde, har lyset og kuldioxiden ikke plads til at interagere. Så cellerne løsner sig for at give plads til at tillade fotosyntese. Men ved at gøre det, hvorfor mister bladet ikke sin struktur og går i stykker?
"Det svampede mesofyl er i stand til at udvikle sig til et meget porøst materiale, men bevarer dog egenskaberne af et fast stof," sagde Corey O'Hern, professor i maskinteknik og materialevidenskab. "Det er det paradoksale, at bladet har brug for at skabe denne labyrintiske struktur af luftrummet for at tillade diffusion af CO2- men bladet skal stadig forblive mekanisk stabilt."
For at forstå denne kontraintuitive proces brugte O'Hern og de andre forskere billeder lavet med konfokal mikroskopi af cellerne i forskellige faser af bladets udvikling.
"Vi skabte en beregningsmodel at beskrive formen af individuelle celler, og hvor meget de klæber til hinanden,” sagde O'Hern. "Så modellerede vi udviklingen af den svampede mesofyl ved at trække i vævet på alle sider."
Disse undersøgelser omfattede måling af alle cellers former og mesofylets porøsitet (det vil sige, hvor meget af materialet består af celler, og hvor meget der består af luft). Forskerne kortlagde forløbet af cellernes udvikling fra tidlige til sene udviklingsstadier og observerede, hvordan cellerne forvandles fra tætpakkede kugler til aflange og multi-lobede former.
De fandt ud af, at i stedet for at få bladstrukturen til at bryde ned, opretholdt cellerne, der spredte sig, bladets struktur. "Det, der sker, er, at cellerne i den svampede mesofyl stadig skubber udad, mens epidermisvævet i bladet holder det inde," sagde O'Hern.
Den specifikke plante, de så på, er thalekarse, en vildblomst kendt af videnskabsmænd som Arabidosis thaliana. Det betragtes som planters frugtflue, fordi det er særligt nyttigt til eksperimenter. Den spirer meget hurtigt, og plantens gener er velkendte.
For fremtidige undersøgelser planlægger forskerne at anvende deres beregningsmodel til andre plantearter for at se, om modellen kan forklare den brede mangfoldighed af svampet mesofylstruktur. Yderligere ønsker de at anvende det, de har lært, til at skabe kunstigt plantevæv.
"Hvis vi kan forstå hvordan planter er så effektive til fotosyntese og kan forstå selvsamlingen af bladmesofyl, måske kan vi skabe lignende fotosyntetiske materialer i laboratoriet."