在植物中，形成叶子内部结构的细胞在叶子发育的早期阶段开始时是紧密压实的球体。随着叶子的发育和扩张，这些细胞呈现出新的形状并松散。然而，叶子的微观结构仍然坚固且完整。

一组研究人员——包括一名机械工程师、植物生物学家和应用物理学家——已经弄清楚了这是如何发生的。这样做不仅可以回答长期困扰植物界的问题，还可能导致制造产生能量的光合材料。他们的工作成果出现在皇家学会界面杂志上。

植物叶子的中间层被称为海绵状叶肉，它是发生光合作用的多孔细胞网络。在这个过程中，二氧化碳(CO 2 ) 从叶子的底部上升，阳光从顶部进入，然后两者在细胞的中间层内相互作用。在一片叶子的早期阶段，这一层的细胞几乎是球形的并且紧密地堆积在一起。然而，如果细胞保持这种状态，光和二氧化碳就没有相互作用的空间。因此，细胞松弛以腾出空间来进行光合作用。但是在这样做的时候，为什么叶子没有失去它的结构并分裂开来呢?

“海绵状叶肉能够发展成一种非常多孔的材料，同时保留固体的特性，”机械工程与材料科学教授 Corey O'Hern 说。“这就是悖论，叶子需要创造这种空气空间的迷宫结构以允许 CO 2扩散——但叶子仍然必须保持机械稳定。”

为了理解这个违反直觉的过程，O'Hern 和其他研究人员使用了叶片发育不同阶段的细胞共聚焦显微镜图像。

“我们创建了一个计算模型来描述单个细胞的形状以及它们相互粘附的程度，”奥赫恩说。“然后我们通过在各个方面拉动组织来模拟海绵状叶肉的发育。”

这些研究包括测量所有细胞的形状和叶肉的孔隙率(即，有多少材料由细胞组成，有多少由空气组成)。研究人员绘制了细胞从发育早期到晚期的发育过程，并观察了细胞如何从紧密堆积的球体变成细长的多叶形状。

他们发现，展开的细胞不会导致叶子结构分解，而是维持了叶子的结构。“正在发生的事情是海绵状叶肉中的细胞仍在向外推，而叶子中的表皮组织将其保持在内部，”奥赫恩说。

他们观察的特定植物是拟南芥，一种被科学家称为拟南芥的野花。它被认为是植物的果蝇，因为它对实验特别有用。它发芽非常快，植物的基因是众所周知的。

对于未来的研究，研究人员计划将他们的计算模型应用于其他植物物种，看看该模型是否可以解释海绵状叶肉结构的广泛多样性。此外，他们还想将所学应用于制造人造植物组织。

“如果我们能够了解植物如何在光合作用中如此高效，并且能够了解叶肉的自组装，也许我们可以在实验室中制造出类似的光合作用材料。”