植物细胞中叶绿体的最优圆盘堆积

光合作用是维持地球生态系统存续的关键过程。虽然光是这一过程的基本要素，但过度暴露于光照会对植物细胞造成危害。叶绿体是光合器官，能主动响应光照并在细胞内自组织，以调节光吸收。这些盘状活动式器官必须在光照微弱时实现紧密堆积以实现最大光吸收，同时在光照过强时进行空间重组以避免损伤。本文揭示了叶绿体在植物细胞内堆积特性呈现最优性迹象。我们结合对 Elodea densa 中叶绿体密度和三维细胞形状的测量，构建了关于最优细胞形状与叶绿体尺寸以实现两个目标之间的关系：在光照微弱时实现二维单层紧密堆积以实现最佳光吸收，在侧壁实现堆积以实现最佳光避让。我们将这些约束正式化为随机紧密堆积模型，并与在矩形盒中离散硬盘堆积的模拟相匹配。由这些模型得出的最优细胞形状与测量得到的盒状植物细胞形状高度吻合，凸显了颗粒堆积在植物光适应中的重要性。理解结构与功能之间的相互作用，有助于阐明植物如何实现高效光适应。也突显了更广泛原理：细胞形状如何优化在约束条件下的有限数量小尺寸器官的堆积。这一挑战在生物系统中具有普遍性，同时在各种尺度和情境下的受限性颗粒介质和活性/被动系统的夹渣转变中也具有基本特征。