Όχι μόνο «Φράκταλ Αγγούρι»: οι επιστήμονες εξήγησαν τη φρακταλική δομή του κουνουπιδιού Romanesco

Ίσως θυμάστε το meme με το φρακταλικό αγγούρι από το χιουμοριστικό βίντεο για το “Ρωσικό Κυβερνοχώριο”. Γνωρίζετε όμως ότι στην πραγματική φύση υπάρχει ένας τεράστιος αριθμός φρακταλικών δομών, συμπεριλαμβανομένων των φυτών;

Μια διεθνής ομάδα ερευνητών μελέτησε τη φρακταλική δομή του κουνουπιδιού Romanesco και εντόπισε τα γονίδια που κρύβονται πίσω από τον σχηματισμό του. Στη συνέχεια, οι επιστήμονες τροποποίησαν τα γονίδια του πρότυπου φυτού αραβιδόψις της Θάλειας (Arabidopsis thaliana) σύμφωνα με το φρακταλικό μοτίβο γονιδίων που ανακαλύφθηκε στο κουνουπίδι. Ως αποτέλεσμα, το φυτό αναπαρήγαγε παρόμοια φρακταλικά μοτίβα, συμπεριλαμβανομένων των σπειροειδών κωνικών φράκταλ.

Το «Κουνουπίδι Romanesco» ή «Ρωμαϊκό κουνουπίδι» ανήκει στην ίδια ποικιλιακή ομάδα με το κοινό κουνουπίδι. Αλλά, σε αντίθεση με τον συγγενή του, κάθε μπουμπούκι του «Romanesco» αποτελείται από μια σειρά μικρότερων μπουμπουκιών, που σχηματίζουν μια λογαριθμική σπείρα και ένα φρακταλικό μοτίβο. Ο αριθμός των σπειρών σε ένα μπουμπούκι «Romanesco» περιγράφεται από τους αριθμούς Φιμπονάτσι. Η διαίρεση οποιουδήποτε αριθμού από αυτή την ακολουθία με τον προηγούμενο αριθμό σχηματίζει τη χρυσή τομή.

Η φύση της εμφάνισης ενός τέτοιου φυσικού φράκταλ έγινε αντικείμενο ενδελεχούς μελέτης από βοτανολόγους και μαθηματικούς. Ήδη από το 1898, ο Γερμανός επιστήμονας Wilhelm Hofmeister ανακάλυψε ότι η σπείρα Fibonacci είναι ο πιο αποτελεσματικός τρόπος συσκευασίας των φύλλων. Καθώς το φυτό αναπτύσσεται, κάθε επόμενο μπουμπούκι ή φύλλο θα κινείται ακτινικά προς τα έξω με ταχύτητα ανάλογη με την ταχύτητα ανάπτυξης του στελέχους. Το δεύτερο φύλλο θα αναπτύσσεται όσο το δυνατόν πιο μακριά από το πρώτο, και το τρίτο θα αναπτύσσεται στην ίδια απόσταση από το πρώτο και το δεύτερο. Η προκύπτουσα δομή πλέγματος του φυτού από αυτή την κατανομή ονομάζεται «φυλλοταξία».

Μια διεθνής ομάδα επιστημόνων μελέτησε τη γενετική δομή του «Romanesco» και προσδιόρισε τον μηχανισμό εμφάνισης των φράκταλ.

Ο αναπτυσσόμενος φυτικός ιστός των φυτών (μερίστωμα) αποτελείται από μη διαφοροποιημένα κύτταρα, από τα οποία αναπτύσσονται τα μέρη του φυτού που είναι διατεταγμένα σπειροειδώς. Αποδείχθηκε ότι στην περίπτωση του «Romanesco», το μερίστωμα σχηματίζει μπουμπούκια που θα έπρεπε να ανθίσουν σε λουλούδια, αλλά αντί αυτού εμφανίζονται στελέχη. Αυτά τα στελέχη αναπτύσσονται χωρίς φύλλα. Αντ’ αυτού, αναπτύσσουν οφθαλμούς από τους οποίους αναδύονται νέα στελέχη. Ως αποτέλεσμα, σχηματίζεται ένα μοτίβο επαναλαμβανόμενων στελεχών πάνω σε στελέχη. Το κωνικό σχήμα του «Romanesco» αποκτάται χάρη στο γεγονός ότι τα αρχικά στελέχη αναπτύσσονται ταχύτερα από τους οφθαλμούς του και τα επόμενα στελέχη. Οι συγγραφείς της μελέτης υπέθεσαν ότι αυτός ο μηχανισμός εμφανίστηκε ως αποτέλεσμα της εξημέρωσης της ποικιλίας.

Το επόμενο βήμα των ερευνητών ήταν η αναζήτηση των γονιδίων που είναι υπεύθυνα για αυτές τις διαδικασίες. Συγκεκριμένα, οι επιστήμονες επικεντρώθηκαν στη μελέτη του μεριστώματος. Τα αποτελέσματα των ερευνών έδειξαν ότι το μερίστωμα είναι υπεύθυνο για τον σχηματισμό των κωνικών φράκταλ στο «Romanesco». Το μερίστωμα τελικά δεν σχηματίζει άνθη, αλλά αναπτύσσει προσωρινά τους ιστούς σαν να επρόκειτο να εμφανιστούν μπουμπούκια. Σε ένα συγκεκριμένο σημείο, το πρόγραμμα αλλάζει, και από τα μπουμπούκια αναπτύσσονται στελέχη. Μια μετάλλαξη σε τέσσερα γονίδια (με αρχικά S, A, L και T), που υπάρχει στο «Romanesco», σε ένα συγκεκριμένο σημείο διεγείρει την ανάπτυξη του μεριστώματος και του κεντρικού στελέχους αντίστοιχα, χάρη στην οποία σχηματίζονται κωνικές δομές.

Αυτή η υπόθεση επιβεβαιώθηκε κατά τη διάρκεια δοκιμών στο πρότυπο φυτό αραβιδόψις της Θάλειας. Οι ερευνητές τροποποίησαν τα βασικά γονίδια του φυτού σύμφωνα με την αλληλουχία που υπάρχει στο «Romanesco». Ως αποτέλεσμα, η αραβιδόψις άρχισε να λαμβάνει κωνικά σχήματα, παρόμοια με τα φράκταλ του ρωμαϊκού κουνουπιδιού. Οι συγγραφείς σημείωσαν ότι για αυτό δεν χρειάστηκε να αλλάξουν σημαντικά τη γενετική των φυτών.

Οι ερευνητές υποθέτουν ότι μπορεί να υπάρχουν και άλλες μεταλλάξεις, υπεύθυνες για τη φρακταλική ιδιότητα των ανθοφόρων φυτών. Σκοπεύουν να το διερευνήσουν αυτό σε μελλοντικές μελέτες.

Πηγές

• Τα υλικά της έρευνας δημοσιεύτηκαν στο άρθρο «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks» στο περιοδικό Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
• Συγγραφέας του άρθρου: Ekaterina Khananova, συντάκτρια του Habr. Το άρθρο συμπληρώθηκε από τον συντάκτη του Klumba.org