植物細(xì)胞壁的力學(xué)特性長(zhǎng)期以來(lái)令人著迷：既具有足以支撐植物形態(tài)的強(qiáng)度，又能在不破裂的前提下延伸，對(duì)應(yīng)力的非線性響應(yīng)方式甚至能夠主動(dòng)變化以適應(yīng)植物在不同階段的生長(zhǎng)需求。這些特性都是新型材料設(shè)計(jì)研發(fā)者們夢(mèng)寐以求的。但即使是在明確發(fā)現(xiàn)了這些特性的80年后，科學(xué)家們?nèi)圆磺宄鼈兊某梢颉Ｗ罱?，美?guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的一項(xiàng)研究對(duì)細(xì)胞壁進(jìn)行了建模，向揭開(kāi)植物細(xì)胞壁獨(dú)特力學(xué)性能背后的秘密邁進(jìn)了一大步。

該項(xiàng)研究從全新的角度審視了植物細(xì)胞壁。研究者們發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞壁強(qiáng)度高、延伸性好的力學(xué)性能主要?dú)w功于細(xì)胞壁內(nèi)纖維素框架的運(yùn)動(dòng)。細(xì)胞壁內(nèi)的纖維素聚集成束保證了強(qiáng)度，同時(shí)可以在細(xì)胞拉伸時(shí)彼此滑動(dòng)，帶來(lái)了延展性。這一研究幫助生物學(xué)家更好地理解了植物細(xì)胞的生長(zhǎng)過(guò)程，并有望為具有更好的強(qiáng)度與延展性的高分子材料提供設(shè)計(jì)靈感。

“長(zhǎng)久以來(lái)，對(duì)于植物細(xì)胞壁最普遍的認(rèn)識(shí)是‘細(xì)胞壁是由纖維素加固的膠質(zhì)，如同由鋼筋加固的混凝土，”賓夕法尼亞州立大學(xué)的生物學(xué)教授、這一研究的作者 Daniel Cosgrove 說(shuō)，“但我們發(fā)現(xiàn)細(xì)胞壁的結(jié)構(gòu)并非如此。纖維素鏈粘連成束，纖維束形成了網(wǎng)絡(luò)，這種結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度比桿狀纖維懸浮在膠質(zhì)中的結(jié)構(gòu)高得多。而在細(xì)胞受到拉伸時(shí)，有效地限制細(xì)胞壁擴(kuò)展的并非其他成分，正是彼此間能夠發(fā)生滑動(dòng)的纖維鏈。”

過(guò)去對(duì)植物細(xì)胞壁進(jìn)行的建模研究尺度不是過(guò)大就是過(guò)?。阂磸暮暧^入手，并未整合單個(gè)細(xì)胞的行為;要么從原子水平入手，不能關(guān)注細(xì)胞壁實(shí)際的力學(xué)特征。在這項(xiàng)研究中，研究者在細(xì)胞壁所含的聚合物（纖維素和其他糖分子的長(zhǎng)鏈）水平上應(yīng)用了粗粒度計(jì)算模型，使用類似彈簧的珠鏈結(jié)構(gòu)而非單原子建模來(lái)表征纖維等成分，希望能準(zhǔn)確復(fù)制其物理特性。

Cosgrove 說(shuō)：“與其他模型不同，我們還對(duì)分子間的非共價(jià)鍵進(jìn)行了建模，顯示出分子相互粘附的趨勢(shì)，這使得我們能夠研究鏈之間的相互作用。”

團(tuán)隊(duì)對(duì)洋蔥表皮細(xì)胞的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模，以將模型給出的力學(xué)特性與洋蔥皮實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。通過(guò)以多種方式拉伸洋蔥細(xì)胞壁，研究者探索了其獨(dú)特力學(xué)特性背后的結(jié)構(gòu)。

“植物細(xì)胞壁很獨(dú)特，它需要足夠堅(jiān)固，為植物提供保護(hù)和支持作用，但又要同時(shí)具有延展性，使自身能夠在植物生長(zhǎng)時(shí)擴(kuò)展?！边@項(xiàng)研究的第一作者、賓夕法尼亞州立大學(xué)的生物博士后研究者 Yao Zhang 說(shuō)，“我們發(fā)現(xiàn)纖維素的微纖維承擔(dān)了大部分的張力，這是維持細(xì)胞壁強(qiáng)度和延展性的關(guān)鍵。”

研究者確認(rèn)了纖維素的單個(gè)纖維之間的并列粘附關(guān)系。在纖維束形成的網(wǎng)絡(luò)中，超細(xì)纖維會(huì)在細(xì)胞被拉伸時(shí)伸縮式滑動(dòng)，將力在網(wǎng)絡(luò)中傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致了細(xì)胞的延伸。

“早在很久以前，研究者們就已經(jīng)在干、濕等不同條件下，對(duì)植物細(xì)胞壁的應(yīng)力和應(yīng)變等力學(xué)性能的變化進(jìn)行了測(cè)量?！盋osgrove 說(shuō)，“但直到現(xiàn)在，我們都沒(méi)有在分子水平上對(duì)這些測(cè)量結(jié)果進(jìn)行解釋。在這一研究中，我們闡明了植物細(xì)胞壁中各成分的作用，并為植物研究中解釋性的實(shí)驗(yàn)提供了定量框架。”

對(duì)于那些研究植物細(xì)胞壁特性及其調(diào)節(jié)機(jī)制的課題來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究提出的見(jiàn)解可能尤其有用。例如，莖部新芽在春季迅速伸長(zhǎng)，而果實(shí)卻會(huì)長(zhǎng)成球形。

研究人員希望將研究模型的適用范疇進(jìn)一步擴(kuò)展，用來(lái)模擬其他植物物種的細(xì)胞壁，同時(shí)將模擬規(guī)模擴(kuò)展到整個(gè)細(xì)胞。

“從細(xì)胞壁所具有的強(qiáng)度和延展性這一點(diǎn)來(lái)看，人類技術(shù)目前還無(wú)法與大自然相提并論?！盰ao 說(shuō)，“植物細(xì)胞壁的鬼斧神工或許將為綠色材料多種多樣的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供新的啟示?！?/p>