Du husker kanskje memen med den fraktale agurken fra humorvideoen om «Den russiske kyberlandsbyen». Men visste du at det faktisk finnes et stort antall fraktale strukturer i naturen, inkludert hos planter?
En internasjonal gruppe forskere har studert den fraktale strukturen til romanescokål og identifisert genene som ligger til grunn for dannelsen. Deretter modifiserte forskerne genene til modellplanten vårskrinneblom (Arabidopsis thaliana) i henhold til det identifiserte fraktale genmønsteret hos kålen. Som et resultat reproduserte planten lignende fraktale mønstre, inkludert spiralformede koniske fraktaler.
«Romanescokål» eller «romersk kål» tilhører samme sortsgruppe som blomkål. Men, i motsetning til sin slektning, består hver knopp av «Romanesco» av en rekke mindre knopper som danner en logaritmisk spiral og et fraktalt mønster. Antall spiraler i en «Romanesco»-knopp beskrives av Fibonaccitallene. Ved å dele et hvilket som helst tall fra denne sekvensen med tallet som kommer før det, dannes det gylne snitt.
Opprinnelsen til en slik naturlig fraktal har blitt et objekt for nøye studier blant botanikere og matematikere. Allerede i 1898 oppdaget den tyske vitenskapsmannen Wilhelm Hofmeister at Fibonacci-spiralen er den mest effektive måten å pakke blader på. Etter hvert som planten vokser, vil hver påfølgende knopp eller blad bevege seg utover radialt med en hastighet proporsjonal med stengelvekstens hastighet. Det andre bladet vil vokse så langt som mulig fra det første, og det tredje vil vokse i samme avstand fra det første og det andre. Gitterstrukturen til planten som resulterer fra denne fordelingen kalles «fyllotaksis».
En internasjonal gruppe forskere har studert den genetiske strukturen til «Romanesco» og fastslått mekanismen for fraktaldannelsen.
Den formative plantemerkem (meristem) består av udifferensierte celler, hvorfra plantedeler utvikles i en spiral. Det viste seg at i tilfellet med «Romanesco» danner meristemet knopper som skulle blomstre til blomster, men i stedet dukker det opp stengler. Disse stenglene vokser uten blader. I stedet utvikler de knopper, hvorfra nye stengler kommer. Som et resultat dannes et mønster av repeterende stengler på stenglene. «Romanesco» får sin koniske form fordi de opprinnelige stenglene vokser raskere enn knoppene og de påfølgende stenglene. Forfatterne av studien antok at denne mekanismen oppsto som et resultat av domestisering av sorten.
Neste skritt for forskerne var å finne genene som er ansvarlige for disse prosessene. Spesielt fokuserte forskerne på studiet av meristemet. Forskningsresultatene viste at det er meristemet som er ansvarlig for dannelsen av koniske fraktaler hos «Romanesco». Meristemet danner til syvende og sist ikke blomster, men utvikler midlertidig vev som om det skulle dukke opp knopper fra dem. På et bestemt tidspunkt endres programmet, og stengler utvikler seg fra knoppene. En mutasjon i fire gener (betegnet med initialene S, A, L og T), som er til stede i «Romanesco», stimulerer på et bestemt tidspunkt veksten av meristemet og den sentrale stengelen henholdsvis, og dermed dannes de koniske strukturene.
Denne hypotesen ble bekreftet under tester på modellplanten vårskrinneblom. Forskerne endret nøkkelgenene til planten i henhold til sekvensen som er til stede i «Romanesco». Som et resultat begynte vårskrinneblomsten å anta koniske former, lik fraktalene til romersk kål. Forfatterne bemerket at dette ikke krevde vesentlige endringer i plantegenetikken.
Foto BlueRidgeKitties. Lisens CC BY-NC-SA 2.0.
Forskere antar at det kan finnes andre mutasjoner som er ansvarlige for fraktaliteten hos blomstrende planter. De planlegger å undersøke dette i fremtidige studier.
Kilder
- Forskningen er publisert i artikkelen «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks» i tidsskriftet Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- Forfatter av notatet: Ekaterina Khananova, redaktør av Habr. Notatet er supplert av redaktøren av Klumba.org