Saatat muistaa fraktaalisen kurkun meemin humoristisesta videosta ”Venäläisestä kyberkylästä”. Mutta tiesitkö, että elävässä luonnossa esiintyy todellisuudessa valtava määrä fraktaalisia rakenteita, myös kasveilla?
Kansainvälinen tutkijaryhmä tutki romanesco-kukkakaalin fraktaalista rakennetta ja tunnisti sen muodostumisen taustalla olevat geenit. Sitten tutkijat muunsivat mallikasvin, lituruohon (Arabidopsis thaliana) geenejä vastaamaan tunnistettua kukkakaalin geenikuviota. Tuloksena kasvi toisti samanlaisia fraktaalisia kuvioita, mukaan lukien spiraalimaiset kartiofraktiaalit.
”Romanesco-kukkakaali” tai ”roomalainen kukkakaali” kuuluu samaan lajikeryhmään kuin tavallinen kukkakaali. Mutta toisin kuin sukulaisensa, jokainen ”Romanescon” nuppu koostuu useista pienemmistä nupuista, jotka muodostavat logaritmisen spiraalin ja fraktaalisen kuvion. Spiraalien määrää ”Romanescon” nupussa kuvaavat Fibonaccin luvut. Minkä tahansa luvun jakaminen edeltävällä luvulla tässä sarjassa muodostaa kultaisen leikkauksen.
Tällaisen luonnollisen fraktaalin syntyperästä on tullut kasvitieteilijöiden ja matemaatikkojen tarkka tutkimuskohde. Jo vuonna 1898 saksalainen tiedemies Wilhelm Hofmeister havaitsi, että Fibonaccin spiraali on tehokkain tapa pakata lehtiä. Kasvin kasvaessa jokainen seuraava nuppu tai lehti liikkuu ulospäin säteittäisesti nopeudella, joka on suhteessa varren kasvunopeuteen. Toinen lehti kasvaa mahdollisimman kauas ensimmäisestä, ja kolmas kasvaa yhtä etäisyyden päässä ensimmäisestä ja toisesta. Tällaisessa jakautumisessa syntyvää kasvin ruudukkorakennetta kutsutaan ”fyllotaksiksi”.
Kansainvälinen tutkijaryhmä tutki ”Romanescon” geneettistä rakennetta ja selvitti fraktaalien syntymekanismin.
Kasvien muodostava kasviskudos (meristeemi) koostuu erilaistumattomista soluista, joista kasvin spiraalimaisesti sijoittuneet osat kehittyvät. Kävi ilmi, että ”Romanescon” tapauksessa meristeemi muodostaa silmuja, joiden tulisi puhjeta kukiksi, mutta sen sijaan niistä kasvaa varsia. Nämä varret kasvavat ilman lehtiä. Sen sijaan niihin kehittyy silmuja, joista puolestaan ilmestyy uusia varsia. Tuloksena muodostuu kuvio toistuvista varsista varsien päällä. ”Romanescon” kartiomainen muoto johtuu siitä, että alkuperäiset varret kasvavat nopeammin kuin sen silmut ja myöhemmät varret. Tutkimuksen tekijät olettivat, että tämä mekanismi syntyi lajikkeen kesyttämisen seurauksena.
Tutkijoiden seuraava askel oli etsiä näistä prosesseista vastaavia geenejä. Erityisesti tutkijat keskittyivät meristeemin tutkimiseen. Tutkimustulokset osoittivat, että juuri meristeemi on vastuussa ”Romanescon” kartiomaisten fraktaalien muodostumisesta. Meristeemi ei lopulta muodosta kukkia, mutta se kehittää väliaikaisesti kudoksia siten, ikään kuin niistä olisi tarkoitus syntyä nuppuja. Tietyssä vaiheessa ohjelma muuttuu, ja nupuista kehittyy varsia. Neljän geenin (tunnistettu kirjaimin S, A, L ja T) mutaatio, joka esiintyy ”Romanescossa”, stimuloi tietyssä vaiheessa meristeemin ja keskusvarren kasvua vastaavasti, minkä ansiosta kartiomaiset rakenteet muodostuvat.
Tämä hypoteesi vahvistettiin testattaessa sitä mallikasvilla, lituruoholla. Tutkijat muunsivat kasvin avaingeenejä ”Romanescossa” esiintyvän sekvenssin mukaisesti. Tuloksena lituruoho alkoi ottaa kartiomaisia muotoja, jotka muistuttivat roomalaisen kukkakaalin fraktaaleja. Tekijät totesivat, että tähän ei tarvinnut olennaisesti muuttaa kasvien genetiikkaa.
Kuva BlueRidgeKitties. Lisenssi CC BY-NC-SA 2.0.
Tutkijat olettavat, että saattaa olla myös muita mutaatioita, jotka ovat vastuussa kukkivien kasvien fraktaalisuudesta. He aikovat selvittää tämän tulevissa tutkimuksissa.
Lähteet
- Tutkimusaineistot on julkaistu artikkelissa ”Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks” Science-lehdessä (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- Artikkelin kirjoittaja: Jekaterina Khananova, Habran toimittaja. Artikkelia on täydentänyt Klumba.orgin toimittaja.