ENGINEERINGNET.BE - Het optimaal stapelen van complexe vormen, of verzamelingen daarvan, in een bepaalde ruimte is een belangrijk wiskundig vraagstuk.
De stapeling van chloroplasten voor fotosynthese is nog complexer omdat dit moet gebeuren onder steeds veranderende omstandigheden.
In de cellen van de waterplant Elodea densa moeten bijvoorbeeld schijfvormige chloroplasten zich dicht opeenpakken om zoveel mogelijk licht te absorberen.
Tegelijk moeten ze voldoende bewegingsvrijheid hebben om weg te kunnen bewegen wanneer de lichtintensiteit te hoog is, om schade te voorkomen.
Om te onderzoeken hoe deze schijfachtige objecten zich optimaal in de rechthoekige, baksteenvormige ruimtes van de cellen nestelen, combineerden wetenschappers van de Nederlandse Universiteit van Amsterdam en de Amerikaanse Emory University computersimulaties met theoretische berekeningen.
Ze ontdekten dat alleen bepaalde rechthoekige vormen de chloroplasten in staat stellen beide doelen te bereiken: efficiënte lichtopvang bij een hoge chloroplastdichtheid, en voldoende ruimte aan de zijkanten om alle chloroplasten te huisvesten bij het vermijden van sterk licht.
Als de cel plat en vierkant is, passen de chloroplasten goed bij de lichtdoorlatende zijde, maar minder goed bij de zijkanten.
Als de cel daarentegen te langgerekt is, gebeurt het tegenovergestelde. Een celvorm die beide tegengestelde doelen optimaliseert, moet zich ergens in het midden bevinden.
Opvallend genoeg komt de natuurlijke vorm van Elodea-cellen heel goed overeen met de voorspelde optimale vormen.
De onderzoekers ontdekten ook dat de chloroplasten niet tot de absolute maximumdichtheid zijn opgestapeld, maar in plaats daarvan net genoeg ruimte laten voor langzame herschikkingen, wat resulteert in een gedrag dat vergelijkbaar is met dat van moleculen in glasachtige substanties.
Samen zorgen de slimme keuzes van vorm en dichtheid, de elegante oplossing van de evolutie voor een ingewikkeld wiskundig vraagstuk, ervoor dat de Elodea densa-cellen optimaal kunnen switchen tussen een lichtverzamelende en een lichtvermijdende toestand.
Toekomstig onderzoek zal uitwijzen of vergelijkbare principes ook van toepassing zijn op andere planten en hun strategieën om zich aan te passen aan veranderend licht.
Op de foto: Een driedimensionaal beeld van de chloroplasten in de rechthoekige, baksteenvormige cellen van Elodea densa.
