Emlékezhet a fraktál uborka méjre a humoros „Orosz Kiberfalu” videóból. De tudta-e, hogy az élő természetben valójában rengeteg fraktál szerkezet fordul elő, beleértve a növényeket is?
Kutatók nemzetközi csoportja tanulmányozta a Romanesco karfiol fraktál szerkezetét és azonosította azokat a géneket, amelyek a képződésének alapját képezik. Ezután a tudósok módosították a tál szapora-tök (Arabidopsis thaliana) modellnövény génjeit a karfiol gének azonosított fraktál mintázatának megfelelően. Ennek eredményeként a növény hasonló fraktál mintázatokat reprodukált, beleértve a spirális kúp alakú fraktálokat is.
A „Romanesco káposzta” vagy „római káposzta” ugyanahhoz a fajtacsoporthoz tartozik, mint a karfiol. De ellentétben rokonával, a „Romanesco” minden bimbója számos kisebb bimbóból áll, amelyek logaritmikus spirált és fraktál mintázatot alkotnak. A „Romanesco” bimbójában lévő spirálok száma a Fibonacci-számokkal írható le. Bármely szám osztása ebből a sorozatból az előtte lévő számmal aranymetszést eredményez.
Az ilyen természetes fraktál keletkezésének természete a botanikusok és matematikusok alapos vizsgálatának tárgyává vált. Már 1898-ban felfedezte a német tudós, Wilhelm Hofmeister, hogy a Fibonacci spirál a levelek elrendezésének leghatékonyabb módja. Ahogy a növény növekszik, minden következő bimbó vagy levél radiálisan kifelé mozog egy olyan sebességgel, amely arányos a szár növekedési sebességével. A második levél a lehető legtávolabb nő az elsőtől, a harmadik pedig az elsőtől és a másodiktól egyenlő távolságra. Az így létrejövő rácsszerkezetű növényi elrendezést „fillotaxisnak” nevezik.
Tudósok nemzetközi csoportja tanulmányozta a „Romanesco” genetikai szerkezetét és megállapította a fraktálok megjelenésének mechanizmusát.
A növények képző szövetje (merisztéma) differenciálatlan sejtekből áll, amelyekből a spirálisan elhelyezkedő növényi részek fejlődnek. Kiderült, hogy a „Romanesco” esetében a merisztéma olyan bimbókat hoz létre, amelyeknek virágokká kellene nyílniuk, de helyette szárak jelennek meg. Ezek a szárak levél nélkül nőnek. Helyettük rügyeket növesztenek, amelyekből új szárak fejlődnek. Ennek eredményeként egy ismétlődő szárakból álló mintázat alakul ki a szárakon. A „Romanesco” kúp alakját annak köszönheti, hogy az eredeti szárak gyorsabban nőnek, mint a rügyei és a későbbi szárak. A kutatás szerzői feltételezték, hogy ez a mechanizmus a fajta háziasítása során alakult ki.
A kutatók következő lépése az ezen folyamatokért felelős gének felkutatása volt. Különösen a merisztéma tanulmányozására koncentráltak a tudósok. A kutatások eredményei kimutatták, hogy éppen a merisztéma felelős a „Romanesco” kúp alakú fraktáljainak képződéséért. A merisztéma végső soron nem képez virágokat, de ideiglenesen úgy fejleszti a szöveteket, mintha azokból bimbóknak kellene megjelenniük. Egy bizonyos ponton a program megváltozik, és a bimbókból szárak fejlődnek. A „Romanesco”-ban jelenlévő négy gén (S, A, L és T kezdőbetűkkel jelölve) mutációja egy bizonyos ponton serkenti a merisztéma és a központi szár növekedését, ennek köszönhetően alakulnak ki a kúpos szerkezetek.
Ez a hipotézis megerősítést nyert a tál szapora-tök modellnövényen végzett vizsgálatok során. A kutatók megváltoztatták a növény kulcsfontosságú génjeit a „Romanesco”-ban található szekvencia szerint. Ennek eredményeként a szapora-tök kúpos formákat kezdett felvenni, amelyek hasonlóak voltak a római káposzta fraktáljaihoz. A szerzők megjegyezték, hogy ehhez nem volt szükség a növények genetikájának jelentős megváltoztatására.
Fotó: BlueRidgeKitties. Licenc: CC BY-NC-SA 2.0.
A kutatók feltételezik, hogy létezhetnek más mutációk is, amelyek a virágzó növények fraktáljellegeért felelősek. Ezt a jövőbeni kutatásokban tervezik tisztázni.
Források
- A kutatási anyagok a „Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks” című cikkben jelentek meg a Science folyóiratban (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- A cikk szerzője: Ekaterina Khananova, a Habr szerkesztője. A cikket a Klumba.org szerkesztője egészítette ki.