Du husker måske memet med den fraktale agurk fra den humoristiske video om “Den russiske cyberlandsby”. Men vidste du, at der i naturen faktisk findes et enormt antal fraktale strukturer, herunder hos planter?
En international gruppe forskere har studeret den fraktale struktur af romanescokål og identificeret de gener, der ligger til grund for dens dannelse. Derefter ændrede forskerne generne hos modelplanten gåsemad (Arabidopsis thaliana) i overensstemmelse med det identificerede fraktale genmønster fra romanescokålen. Som et resultat reproducerede planten lignende fraktale mønstre, herunder spiralformede koniske fraktaler.
“Romanesco kål” eller “Romansk kål” tilhører samme sortsgruppe som blomkål. Men i modsætning til sin slægtning består hver knop af “Romanesco” af en række mindre knopper, der danner en logaritmisk spiral og et fraktalt mønster. Antallet af spiraler i en “Romanesco”-knop beskrives af Fibonacci-tal. Division af et hvilket som helst tal fra denne sekvens med tallet, der kommer før det, danner det gyldne snit.
Oprindelsen af en sådan naturlig fraktal er blevet genstand for intensiv forskning hos botanikere og matematikere. Allerede i 1898 opdagede den tyske videnskabsmand Wilhelm Hofmeister, at Fibonacci-spiralen er den mest effektive måde at pakke blade på. Efterhånden som planten vokser, vil hver efterfølgende knop eller blad bevæge sig udad radialt med en hastighed proportional med stammens væksthastighed. Det andet blad vil vokse så langt som muligt fra det første, og det tredje vil vokse i lige afstand fra det første og andet. Den resulterende gitterstruktur af planten fra denne fordeling kaldes “fyllotaksi”.
En international gruppe forskere har studeret den genetiske struktur af “Romanesco” og fastslået mekanismen for fraktaldannelse.
Det dannelse af plantevæv (meristem) hos planter består af udifferentierede celler, hvorfra plantedele, der er arrangeret i en spiral, udvikler sig. Det viste sig, at i tilfældet med “Romanesco” danner meristemet knopper, der skulle blomstre til blomster, men i stedet opstår stængler. Disse stængler vokser uden blade. I stedet udvikler de knopper, hvorfra nye stængler opstår. Som et resultat dannes et mønster af gentagne stængler på stængler. “Romanesco” får sin koniske form, fordi de oprindelige stængler vokser hurtigere end dets knopper og efterfølgende stængler. Forfatterne af undersøgelsen antog, at denne mekanisme opstod som et resultat af domestificering af sorten.
Det næste skridt for forskerne var at finde de gener, der er ansvarlige for disse processer. Specifikt fokuserede forskerne på studiet af meristemet. Forskningsresultaterne viste, at det netop er meristemet, der er ansvarlig for dannelsen af koniske fraktaler i “Romanesco”. Meristemet danner i sidste ende ikke blomster, men udvikler midlertidigt væv, som om der skulle opstå knopper. På et bestemt tidspunkt ændres programmet, og stængler udvikler sig fra knopperne. En mutation i fire gener (betegnet med initialerne S, A, L og T), der er til stede i “Romanesco”, stimulerer på et bestemt tidspunkt væksten af meristemet og den centrale stængel henholdsvis, hvorved de koniske strukturer dannes.
Denne hypotese blev bekræftet under forsøg med modelplanten gåsemad. Forskerne ændrede plantens nøglegener i overensstemmelse med den sekvens, der er til stede i “Romanesco”. Som et resultat begyndte gåsemaden at antage koniske former, der ligner den romerske kåls fraktaler. Forfatterne bemærkede, at dette ikke krævede væsentlige ændringer i planternes genetik.
Foto BlueRidgeKitties. Licens CC BY-NC-SA 2.0.
Forskere antager, at der kan eksistere andre mutationer, der er ansvarlige for fraktaliteten hos blomstrende planter. De planlægger at undersøge dette i fremtidige studier.
Kilder
- Forskningens materialer er offentliggjort i artiklen “Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks” i tidsskriftet Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- Notens forfatter: Ekaterina Khananova, Habr-redaktør. Noten er suppleret af Klumba.org-redaktøren