Nejen „Fraktálový okurek“: Fraktálová struktura brokolice Romanesco vysvětlena vědci

Možná si pamatujete meme s fraktálovou okurkou z humorného videa o „Ruské kybervesnici“. Víte ale, že v živé přírodě se ve skutečnosti vyskytuje obrovské množství fraktálových struktur, a to i u rostlin?

Mezinárodní tým výzkumníků prozkoumal fraktálovou strukturu brokolice Romanesco a identifikoval geny, které jsou základem jejího vzniku. Poté vědci upravili geny modelové rostliny huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana) v souladu se zjištěným fraktálovým vzorem genů brokolice. V důsledku toho rostlina reprodukovala podobné fraktálové vzory, včetně spirálových kónických fraktálů.

„Brokolice Romanesco“ nebo „Římská brokolice“ patří do stejné odrůdové skupiny jako květák. Na rozdíl od své příbuzné se však každá růžice „Romanesco“ skládá z řady menších růžiček, které tvoří logaritmickou spirálu a fraktálový vzor. Počet spirál v růžici „Romanesco“ je popsán Fibonacciho čísly. Dělení libovolného čísla z této posloupnosti číslem, které mu předchází, vytváří zlatý řez.

Původ takového přirozeného fraktálu se stal předmětem intenzivního studia botaniků a matematiků. Již v roce 1898 německý vědec Wilhelm Hofmeister zjistil, že Fibonacciho spirála je nejúčinnějším způsobem balení listů. S růstem rostliny se každá další růžice nebo list pohybuje radiálně ven rychlostí úměrnou rychlosti růstu stonku. Druhý list roste co nejdále od prvního a třetí roste ve stejné vzdálenosti od prvního a druhého. Výsledná mřížková struktura rostliny se nazývá „fyllotaxe“.

Mezinárodní skupina vědců studovala genetickou strukturu „Romanesco“ a zjistila mechanismus vzniku fraktálů.

Tvorba rostlinné tkáně (meristému) se skládá z nediferencovaných buněk, ze kterých se spirálovitě vyvíjejí části rostliny. Ukázalo se, že v případě „Romanesco“ meristém tvoří růžice, které by se měly rozvinout v květy, ale místo toho se objevují stonky. Tyto stonky rostou bez listů. Místo nich vytvářejí pupeny, ze kterých se objevují nové stonky. V důsledku toho se vytváří vzor opakujících se stonků na stoncích. Kónický tvar „Romanesco“ získává díky tomu, že původní stonky rostou rychleji než jeho pupeny a následné stonky. Autoři studie předpokládali, že tento mechanismus vznikl v důsledku domestikace odrůdy.

Dalším krokem výzkumníků bylo hledání genů zodpovědných za tyto procesy. Vědci se zaměřili zejména na studium meristému. Výsledky studií ukázaly, že právě meristém je zodpovědný za tvorbu kónických fraktálů u „Romanesco“. Meristém nakonec netvoří květy, ale dočasně rozvíjí tkáně tak, jako by se z nich měly objevit růžice. V určitý okamžik se program změní a z růžic se vyvinou stonky. Mutace ve čtyřech genech (označených iniciálami S, A, L a T), přítomná u „Romanesco“, v určitý okamžik stimuluje růst meristému a centrálního stonku, čímž se tvoří kónické struktury.

Tato hypotéza našla potvrzení během testů na modelové rostlině huseníčku rolního. Vědci změnili klíčové geny rostliny v souladu s posloupností přítomnou v „Romanesco“. V důsledku toho začala huseníček přijímat kónické tvary, podobné fraktálům římské brokolice. Autoři poznamenali, že k tomu nebylo nutné podstatně měnit genetiku rostlin.

Výzkumníci předpokládají, že mohou existovat i další mutace zodpovědné za fraktálnost kvetoucích rostlin. Plánují to zjistit v budoucích studiích.

Zdroje

• Materiály studie byly publikovány v článku „Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks“ v časopise Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
• Autor poznámky: Ekaterina Khananova, redaktorka Habra. Poznámka doplněna redaktorem Klumba.org