Võimalik, et mäletate meemi fraktaalse kurgiga humoorikast videost “Vene küberkülast”. Kuid kas te teadsite, et eluslooduses esineb tegelikult tohutul hulgal fraktaalseid struktuure, sealhulgas taimede puhul?
Rahvusvaheline uurimisrühm uuris Romanesco lillkapsa fraktaalset struktuuri ja tuvastas selle moodustumise aluseks olevad geenid. Seejärel muutsid teadlased mudeltaime, hariliku müürlooga (Arabidopsis thaliana) geene vastavalt avastatud lillkapsa geenide fraktaalsele mustrile. Tulemusena reprodutseeris taim sarnaseid fraktaalseid mustreid, sealhulgas spiraalseid koonilisi fraktaale.
«Romanesco kapsas» ehk «Rooma kapsas» kuulub samasse sordirühma kui lillkapsas. Kuid erinevalt oma sugulasest koosneb iga Romanesco õisik reast väiksematest õisikutest, mis moodustavad logaritmilise spiraali ja fraktaalse mustri. Romanesco õisiku spiraalide arvu kirjeldavad Fibonacci arvud. Iga arvu jagamine sellest jadast eelneva arvuga annab kuldlõike.
Selle loodusliku fraktaali tekkimise olemus on olnud botaanikute ja matemaatikute tähelepaneliku uurimise objekt. Juba 1898. aastal avastas Saksa teadlane Wilhelm Hofmeister, et Fibonacci spiraal on kõige tõhusam viis lehtede pakkimiseks. Taime kasvades liigub iga järgmine pung või leht radiaalselt väljapoole kiirusega, mis on proportsionaalne varre kasvukiirusega. Teine leht kasvab esimesest võimalikult kaugel ja kolmas kasvab esimesest ja teisest võrdsel kaugusel. Sellise jaotuse tulemusel tekkivat taime võrelist struktuuri nimetatakse «fülotaksiseks».
Rahvusvaheline teadlaste rühm uuris «Romanesco» geneetilist struktuuri ja tuvastas fraktaalide tekkemehhanismi.
Taimede moodustuv kude (meristeem) koosneb diferentseerumata rakkudest, millest arenevad spiraalselt paiknevad taimeosad. Selgus, et «Romanesco» puhul moodustab meristeem pungi, mis peaksid avanema õiteks, kuid selle asemel ilmuvad varred. Need varred kasvavad ilma lehtedeta. Nende asemel arendavad nad pungi, millest ilmuvad uued varred. Tulemusena moodustub korduvate varte muster varte peal. «Romanesco» omandab koonilise kuju tänu sellele, et algsed varred kasvavad kiiremini kui selle pungad ja järgnevad varred. Uurimuse autorid oletasid, et see mehhanism tekkis sordi kodustamise tulemusena.
Uurijate järgmiseks sammuks oli nende protsesside eest vastutavate geenide otsimine. Eelkõige keskendusid teadlased meristeemi uurimisele. Uuringutulemused näitasid, et just meristeem vastutab «Romanesco» kooniliste fraktaalide moodustumise eest. Meristeem ei moodusta lõppkokkuvõttes õisi, vaid arendab ajutiselt kudesid nii, nagu peaksid neist pungad ilmuma. Teatud hetkel programm muutub ja pungadest arenevad varred. Neljas geenis (tähistatud initsiaalidega S, A, L ja T) esinev mutatsioon «Romanesco» juures stimuleerib teatud hetkel meristeemi ja vastavalt keskvarre kasvu, mille tulemusena moodustuvad koonilised struktuurid.
See hüpotees leidis kinnitust hariliku müürlooga mudeltaimel tehtud katsetes. Teadlased muutsid taime võtmegeene vastavalt «Romanescos» esinevale järjestusele. Selle tulemusena hakkas harilik müürlook omandama koonilisi vorme, mis sarnanesid Rooma kapsa fraktaalidega. Autorid märkisid, et selleks ei olnud vaja taimede geneetikat oluliselt muuta.
Foto BlueRidgeKitties. Litsents CC BY-NC-SA 2.0.
Uurijad oletavad, et võib eksisteerida ka teisi mutatsioone, mis vastutavad õistaimede fraktaalsuse eest. Nad plaanivad seda tulevastes uuringutes välja selgitada.
Allikad
- Uuringu materjalid on avaldatud artiklis «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks» ajakirjas Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- Märkme autor: Jekaterina Khananova, Habra toimetaja. Märkust täiendas Klumba.org toimetaja.