Нико Шрамма из медицинского центра Амстердамского университета предупредил, что жизнь на свете опасна: лучи солнца несут ультрафиолет, способный разрывать молекулы ДНК, а интенсивность освещения меняется от мягкого утра до жаркого дня. Растениям приходится выживать в таких условиях, переключаясь между тенью и ярким солнцем за минуты. Они реагируют поворотом листьев, но для тонкой настройки работают клетки. Внутри них находятся хлоропласты — дисковидные органеллы, превращающие свет в сахара. Шрамма сравнил их поведение с стадом овец, ищущих тень: при высокой интенсивности света хлоропласты собираются в затененные участки вдоль клеточной стенки. Мази Джаал из того же университета объяснил, что свет — лучший друг и худший враг хлоропластов. Они нужны для фотосинтеза, но при избытке интенсивности им приходится убегать.
В статье, опубликованной осенью 2025 года в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые описали, как хлоропласты в водоросли Elodea самоорганизуются в математический оптимум. Они плотно упаковываются на поверхности клетки для поглощения света, но располагаются разреженно внутри, чтобы эффективно прятаться. Это подтверждает гипотезу эволюционного биолога Дейкоко Маккоя из Чикагского университета о том, что природа создала идеальное решение для сбора и защиты от света. Мази Джаал, чья мать преподавала биологию, а отец — физику, изучает физическую динамику в живых организмах. Его команда отметила, что растения решают множество физических задач в ходе эволюции.
Исследователи обратили внимание на Elodea densa — обычную аквариумную водоросль с простыми листьями, удобными для микроскопа. Под увеличением видно, как хлоропласты разных размеров собираются в пестроту, чтобы ловить свет или прятаться от него. Ранее Роджер Хэнгерт из Индианского университета и Масамитсу Вада из Токийского университета изучали этот механизм с 1990-х годов. Они выяснили, что неподвижные хлоропласты приводят к повреждению клетки и гибели растения. Защита от света критически важна.
Физики знают, что маленькие единицы могут самоорганизовываться в сложные структуры без центрального управления.这种现象 называется emergence и напоминает стаи птиц или косяки рыб. Проблема упаковки шаров восходит к 17-му веку, когда Иоганн Кеплер предложил способ плотной укладки сфер. Ячейки растений решают аналогичную задачу: несколько дисков разной формы должны эффективно упаковываться при любом освещении. Хлоропласты возникли миллиарды лет назад, когда бактерия научилась питаться светом, а позже клетка поглотила её без вреда, создав условия эндосимбиоза. Этот гибридный организм стал предком всех растений.
Внутри клетки царит теснота, где центральная вакуоль давит на остальные органеллы. Хлоропласты зажаты между жидкостью вакуоли и жесткими стенками. Шрамма и Джаал выдвинули гипотезу о стекловидном поведении. Переход стеклообразного состояния происходит, когда материал может обратимо менять состояние между твердым и жидким без смены фазы, как желатиновое варево. В 2023 году исследователи сообщили, что клетки Elodea находятся в критической точке этого перехода. При постоянном свете клетка стабильна и тверда, а хлоропласты стоят на месте. Если меняется интенсивность света, содержимое клетки становится жидким, что позволяет хлоропластам сгруппироваться в трехмерные кластеры за другими элементами, чтобы спрятаться. Это подтверждает, что клетка умеет динамически перестраивать свою внутреннюю среду для выживания.