あなたは、「ロシアのサイバー村」についてのユーモラスなビデオに出てくるフラクタルきゅうりのミームを覚えているかもしれません。しかし、実際の自然界には、植物を含め、膨大な数のフラクタル構造が存在することをご存知でしたか？
国際研究者チームがロマネスコカリフラワーのフラクタル構造を研究し、その形成の基礎となる遺伝子を特定しました。その後、科学者たちは、特定されたカリフラワーの遺伝子フラクタルパターンに従って、モデル植物であるシロイヌナズナ（Arabidopsis thaliana）の遺伝子を改変しました。その結果、その植物は螺旋状の円錐形フラクタルを含む、類似のフラクタルパターンを再現しました。
「ロマネスコカリフラワー」または「ロマネスコ」は、カリフラワーと同じ品種群に属します。しかし、その親戚とは異なり、ロマネスコの各花蕾は、対数螺旋とフラクタルパターンを形成する一連のより小さな花蕾から構成されています。ロマネスコの花蕾の螺旋の数は、フィボナッチ数で記述されます。この数列の任意の数をその前の数で割ると、黄金比が形成されます。
このような自然なフラクタルがどのようにして生じるのかは、植物学者や数学者の間で熱心な研究対象となってきました。1898年にはすでに、ドイツの科学者ヴィルヘルム・ホフマイスターが、フィボナッチ螺旋が葉を最も効率的に配置する方法であることを発見しています。植物が成長するにつれて、次に出てくる各芽や葉は、茎の成長速度に比例した速度で放射状に外側へ移動します。2番目の葉は1番目の葉からできるだけ離れて成長し、3番目の葉は1番目と2番目の葉から等しい距離で成長します。このような配置によって形成される植物の格子状構造は、「葉序（フィロタキシス）」と呼ばれます。
国際的な科学者チームは、「ロマネスコ」の遺伝子構造を研究し、フラクタル出現のメカニズムを解明しました。
植物の形成組織（分裂組織）は、螺旋状に配置された植物の各部分へと発達する未分化の細胞で構成されています。「ロマネスコ」の場合、分裂組織は花となるはずの蕾を形成しますが、代わりに茎が生じます。これらの茎は葉を持たずに成長します。それらの代わりに、新しい茎が生まれる芽を形成します。結果として、茎の上に繰り返される茎のパターンが形成されます。「ロマネスコ」が円錐形になるのは、最初の茎がその芽やその後の茎よりも速く成長するためです。研究の著者らは、このメカニズムは品種の栽培化の結果として現れたものと仮定しています。
研究者たちの次のステップは、これらのプロセスを担う遺伝子を探すことでした。特に、科学者たちは分裂組織の研究に焦点を当てました。研究結果は、ロマネスコの円錐状フラクタルの形成に責任を負っているのは、まさに分裂組織であることを示しました。分裂組織は最終的に花を形成せず、代わりに一時的に蕾が現れるかのように組織を発達させます。特定の時点でプログラムが変化し、蕾から茎が発達します。ロマネスコに存在する4つの遺伝子（S、A、L、Tのイニシャルで示される）の変異が、特定の時点で分裂組織と中心茎の成長をそれぞれ刺激し、それによって円錐構造が形成されます。
この仮説は、モデル植物であるシロイヌナズナでの実験中に裏付けられました。研究者たちは、ロマネスコに存在する配列に従って、植物の主要な遺伝子を改変しました。その結果、シロイヌナズナはロマネスコに似た円錐形フラクタルを形成し始めました。著者らは、これには植物の遺伝学を大幅に変更する必要がなかったと指摘しました。
写真 BlueRidgeKitties。ライセンス CC BY-NC-SA 2.0。
研究者たちは、開花植物のフラクタル性に関わる他の変異が存在する可能性もあると推測しています。彼らは今後の研究でそれを明らかにすることを計画しています。
出典
- 研究資料は、Science誌の論文「Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks」に掲載されています (DOI: 10.1126/science.abg5999)。
- 記事の著者：エカテリーナ・ハナノワ（ハブラ編集者）。記事はKlumba.orgの編集者によって加筆修正されました。