Niet alleen “Fractal Komkommer”: wetenschappers verklaren de fractale structuur van Romanesco-bloemkool

U herinnert zich misschien de meme met de fractale komkommer uit de humoristische video over het “Russische Cyberdorp”. Maar wist u dat er in de natuur eigenlijk een enorme hoeveelheid fractale structuren voorkomt, ook bij planten?

Een internationale groep onderzoekers heeft de fractale structuur van Romanesco-bloemkool bestudeerd en de genen geïdentificeerd die aan de basis van de vorming liggen. Vervolgens hebben de wetenschappers de genen van het modelplantje zandraket (Arabidopsis thaliana) aangepast volgens het geïdentificeerde fractale genpatroon van de bloemkool. Als resultaat reproduceerde de plant vergelijkbare fractale patronen, inclusief spiraalvormige conische fractalen.

“Romanesco bloemkool” of “Romeinse bloemkool” behoort tot dezelfde variëteitsgroep als bloemkool. Maar, in tegenstelling tot zijn verwant, bestaat elke roos van “Romanesco” uit een reeks kleinere roosjes, die een logaritmische spiraal en een fractaal patroon vormen. Het aantal spiralen in een “Romanesco” roos wordt beschreven door Fibonacci-getallen. Het delen van een willekeurig getal uit deze reeks door het voorgaande getal vormt de gulden snede.

De aard van het ontstaan van een dergelijke natuurlijke fractaal is een object van diepgaande studie geworden voor botanici en wiskundigen. Al in 1898 ontdekte de Duitse wetenschapper Wilhelm Hofmeister dat de Fibonacci-spiraal de meest efficiënte manier is om bladeren te verpakken. Naarmate de plant groeit, zal elke volgende knop of elk volgend blad radiaal naar buiten bewegen met een snelheid die evenredig is aan de groeisnelheid van de stengel. Het tweede blad zal zo ver mogelijk van het eerste groeien, en het derde zal op gelijke afstand van het eerste en tweede groeien. De resulterende roosterstructuur van de plant die ontstaat bij een dergelijke verdeling wordt “fyllotaxis” genoemd.

Een internationale groep wetenschappers heeft de genetische structuur van “Romanesco” bestudeerd en het mechanisme achter het verschijnen van fractalen vastgesteld.

Het vormende plantenweefsel (meristeem) bestaat uit ongedifferentieerde cellen, waaruit de in een spiraal gerangschikte delen van de plant zich ontwikkelen. Het bleek dat in het geval van “Romanesco” het meristeem knoppen vormt die tot bloemen zouden moeten uitgroeien, maar in plaats daarvan verschijnen er stengels. Deze stengels groeien zonder bladeren. In plaats daarvan ontwikkelen ze knoppen waaruit nieuwe stengels ontstaan. Het resultaat is een patroon van herhalende stengels op stengels. De conische vorm van “Romanesco” ontstaat doordat de oorspronkelijke stengels sneller groeien dan de knoppen en daaropvolgende stengels. De auteurs van de studie veronderstelden dat dit mechanisme is ontstaan als gevolg van de domesticatie van de variëteit.

De volgende stap van de onderzoekers was het zoeken naar de genen die verantwoordelijk zijn voor deze processen. In het bijzonder concentreerden de wetenschappers zich op de studie van het meristeem. De onderzoeksresultaten toonden aan dat het meristeem verantwoordelijk is voor de vorming van de conische fractalen bij “Romanesco”. Het meristeem vormt uiteindelijk geen bloemen, maar ontwikkelt tijdelijk weefsels alsof er knoppen uit zouden moeten ontstaan. Op een bepaald moment verandert het programma en ontwikkelen de knoppen zich tot stengels. Een mutatie in vier genen (aangeduid met de initialen S, A, L en T), aanwezig in “Romanesco”, stimuleert op een bepaald moment de groei van het meristeem en de centrale stengel, waardoor de conische structuren worden gevormd.

Deze hypothese vond bevestiging tijdens proeven met het modelplantje zandraket. Onderzoekers wijzigden de sleutelgenen van de plant in overeenstemming met de sequentie die aanwezig is in “Romanesco”. Als resultaat begon de zandraket conische vormen aan te nemen, vergelijkbaar met de fractalen van Romeinse bloemkool. De auteurs merkten op dat hiervoor geen significante wijziging van de genetica van de planten nodig was.

De onderzoekers veronderstellen dat er ook andere mutaties kunnen zijn die verantwoordelijk zijn voor de fractaliteit van bloeiende planten. Ze zijn van plan dit in toekomstige studies uit te zoeken.

Bronnen

• De onderzoeksmaterialen zijn gepubliceerd in het artikel “Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks” in het tijdschrift Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
• Auteur van het bericht: Ekaterina Khananova, redacteur van Habr. Het bericht is aangevuld door de redacteur van Klumba.org