شاید میم خیار فرکتالی را از ویدیوی طنز “روستای سایبری روسی” به یاد داشته باشید. اما آیا میدانید که در طبیعت، در واقع تعداد زیادی ساختار فرکتالی از جمله در گیاهان یافت میشود؟
یک گروه بینالمللی از محققان، ساختار فرکتالی کلم رومانسکو را مطالعه کرده و ژنهای اساسی تشکیلدهندهی آن را شناسایی کردند. سپس دانشمندان، ژنهای گیاه مدل رشادی تال (Arabidopsis thaliana) را مطابق با الگوی فرکتالی ژنهای کلم شناسایی شده، تغییر دادند. در نتیجه، این گیاه الگوهای فرکتالی مشابهی، از جمله فرکتالهای مخروطی مارپیچی را بازتولید کرد.
«کلم رومانسکو» یا «کلم رومی» به همان گروه ارقام کلم گل تعلق دارد. اما برخلاف خویشاوندش، هر غنچه «رومانسکو» از مجموعهای از غنچههای کوچکتر تشکیل شده است که یک مارپیچ لگاریتمی و الگوی فرکتالی را تشکیل میدهند. تعداد مارپیچها در غنچه «رومانسکو» با اعداد فیبوناچی توصیف میشود. تقسیم هر عدد از این دنباله بر عدد قبلی آن، نسبت طلایی را تشکیل میدهد.
طبیعت پیدایش چنین فرکتال طبیعی، موضوع بررسی دقیق گیاهشناسان و ریاضیدانان قرار گرفته است. حتی در سال ۱۸۹۸، دانشمند آلمانی، ویلهلم هوفمایستر، کشف کرد که مارپیچ فیبوناچی، کارآمدترین روش بستهبندی برگها است. با رشد گیاه، هر غنچه یا برگ بعدی به صورت شعاعی به سمت بیرون حرکت میکند، با سرعتی متناسب با سرعت رشد ساقه. برگ دوم تا آنجا که ممکن است از برگ اول فاصله میگیرد و برگ سوم در فاصله مساوی از برگ اول و دوم رشد میکند. ساختار شبکهای گیاه که از این توزیع حاصل میشود، «فیلاتاکسی» نامیده میشود.
یک گروه بینالمللی از دانشمندان، ساختار ژنتیکی «رومانسکو» را بررسی کرده و مکانیزم پیدایش فرکتالها را کشف کردند.
بافت رویشی گیاهان (مریستم) از سلولهای تمایز نیافته تشکیل شده است که بخشهای گیاه به صورت مارپیچی از آنها رشد میکنند. مشخص شد که در مورد «رومانسکو»، مریستم غنچههایی را تشکیل میدهد که باید به گل تبدیل شوند، اما به جای آن ساقهها پدیدار میشوند. این ساقهها بدون برگ رشد میکنند. در عوض، آنها جوانههایی را تولید میکنند که از آنها ساقههای جدیدی میرویند. در نتیجه، الگویی از ساقههای تکراری بر روی ساقهها شکل میگیرد. شکل مخروطی «رومانسکو» به این دلیل حاصل میشود که ساقههای اولیه سریعتر از جوانهها و ساقههای بعدی آن رشد میکنند. نویسندگان این مطالعه فرض کردند که این مکانیزم در نتیجه اهلیسازی این گونه ظاهر شده است.
گام بعدی محققان، یافتن ژنهای مسئول این فرآیندها بود. به ویژه، دانشمندان بر روی مطالعه مریستم تمرکز کردند. نتایج تحقیقات نشان داد که مریستم مسئول تشکیل فرکتالهای مخروطی در «رومانسکو» است. مریستم در نهایت گل تشکیل نمیدهد، اما به طور موقت بافتهایی را توسعه میدهد، گویی قرار است از آنها غنچههایی پدیدار شوند. در یک لحظه مشخص، برنامه تغییر میکند و ساقهها از غنچهها رشد میکنند. جهش در چهار ژن (با حروف اول S، A، L و T مشخص شدهاند) که در «رومانسکو» وجود دارد، در لحظهای مشخص، به ترتیب رشد مریستم و ساقه مرکزی را تحریک میکند که به واسطه آن ساختارهای مخروطی شکل میگیرند.
این فرضیه در طول آزمایشها بر روی گیاه مدل رشادی تال تأیید شد. محققان ژنهای کلیدی گیاه را مطابق با توالی موجود در «رومانسکو» تغییر دادند. در نتیجه، رشادی شکلهای مخروطی مشابه فرکتالهای کلم رومی را به خود گرفت. نویسندگان خاطرنشان کردند که برای این کار نیازی به تغییر قابل توجه ژنتیک گیاهان نبود.
عکس: بلو ریج کیتیز. مجوز CC BY-NC-SA 2.0.
محققان فرض میکنند که ممکن است جهشهای دیگری نیز مسئول فرکتالی بودن گیاهان گلدار وجود داشته باشند. آنها قصد دارند این موضوع را در تحقیقات آینده خود مشخص کنند.
منابع
- مطالب این پژوهش در مقالهای با عنوان «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks» در مجله Science منتشر شده است (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- نویسنده یادداشت: یکاترینا خانانووا، سردبیر هابرا. یادداشت توسط سردبیر Klumba.org تکمیل شده است.