依据一些简单的规则,计算机模型已经可以产生出整齐有序的虚拟叶片。
改变模型的参数也能产生出不同的叶片排列方式。
方向感
所有这些研究都表明,极性,即设想每个细胞都具有方向感,是塑造形态的关键。“你可能认为,哦,它不知道一头和另一头的区别,”英国诺维奇市约翰·英纳斯中心的植物发育学家恩里科·科恩(Enrico Coen)说,“但事实上,细胞确实有方向性。”他把这种现象比作是体育馆里的一群人,每个人都面朝着同一方向。
这种方向感也有助于解释自然界中可见的许多叶片形状。在2012年发表的一项研究中,科恩的研究团队把拟南芥叶片中的一些细胞用荧光标记出来,然后通过显微镜仔细观察该处组织如何生长。之后,他们设计计算机模型,尝试对观察到的变化做出解释。该团队已经能够用模型来重现这种生长模式。在该模型中,叶片组织知道应该向哪个方向生长,而且有能力以不同的速度生长。调节该模型的参数,例如,改变一种蛋白的含量,可以产生出一系列与天然叶片类似的形状,包括椭圆形和心形(参见《科学》,第335卷,1092页)。
对于塑造器官形态来说,除了细胞的方向感之外,对发育中器官的机械力作用也明显具有不小的影响。“某些时候,机械力是不可或缺的,”法国国家农业研究所的植物学家奥利弗·哈芒特(Olivier Hamant)说道。
2008年,哈芒特的研究团队证实,植物细胞会由于机械力的作用而改变某些组成的排列。细胞中有一种被称为微管的蛋白质纤维,当研究人员用两片特氟龙树脂挤压植物茎的顶端时,微管的排列方式变成了和树脂片平行(参见《自然》,第322卷,1650页)。这些微管驱使细胞加固附近的细胞壁,使细胞更难以向树脂片的方向扩张。