Не только «Фрактал Кукумбер»: фрактальную структуру капусты Романеско объяснили учёные

Вы можете помнить мем с фрактальным огурцом из юмористического видео про «Русскую кибердеревню». Но знаете ли вы, что в живой природе на самом деле встречается огромное количество фрактальных структур, в том числе у растений?

Международная группа исследователей изучила фрактальную структуру цветной капусты Романеско и выделила гены, лежащие в основе её образования. Затем учёные изменили гены модельного растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) в соответствии с выявленным фрактальным паттерном генов цветной капусты. В результате растение воспроизвело схожие фрактальные узоры, включая спиральные конические фракталы.

«Капуста Романеско» или «Римская капуста» относится к той же сортовой группе, что и цветная капуста. Но, в отличие от своей родственницы, каждый бутон «Романеско» состоит из ряда более мелких бутонов, образующих логарифмическую спираль и фрактальный узор. Количество спиралей в бутоне «Романеско» описывается числами Фибоначчи. Деление любого числа из этой последовательности на число, идущее перед ним, образует золотое сечение.

Природа возникновения подобного естественного фрактала стала объектом пристального изучения у ботаников и математиков. Ещё в 1898 году немецкий учёный Вильгельм Хофмейстер обнаружил, что спираль Фибоначчи — самый эффективный способ упаковки листьев. По мере роста растения каждый последующий бутон или лист будет двигаться наружу радиально со скоростью, пропорциональной скорости роста стебля. Второй лист будет расти как можно дальше от первого, а третий будет расти на одинаковом расстоянии от первого и второго. Получившаяся при таком распределении решётчатая структура растения называется «филлотаксис».

Международная группа учёных изучила генетическую структуру «Романеско» и установила механизм появления фракталов.

Образующая растительная ткань растений (меристема) состоит из недифференцированных клеток, из которых развиваются части растения, расположенные по спирали. Оказалось, что в случае с «Романеско» меристема образует бутоны, которые должны распуститься в цветы, но вместо этого появляются стебли. Эти стебли растут без листьев. Вместо них они наращивают почки, из которых появляются новые стебли. В результате формируется узор из повторяющихся стеблей на стеблях. Коническую форму «Романеско» приобретает благодаря тому, что изначальные стебли растут быстрее, чем его почки и последующие стебли. Авторы исследования предположили, что этот механизм появился в результате одомашнивания сорта.

Следующим шагом исследователей стал поиск генов, ответственных за эти процессы. В частности, учёные сосредоточились на изучении меристемы. Результаты исследований показали, что именно меристема ответственна за образование конических фракталов у «Романеско». Меристема в конечном счёте не образует цветы, но временно развивают ткани так, будто из них должны появиться бутоны. В определённый момент программа меняется, и из бутонов развиваются стебли. Мутация в четырёх генах (обозначенных инициалами S, A, L и T), присутствующая у «Романеско», в определённый момент стимулирует рост меристемы и центрального стебля соответственно, благодаря чему формируются конические структуры.

Эта гипотеза нашла подтверждение во время испытаний на модельном растении резуховидке Таля. Исследователи изменили ключевые гены растения в соответствии с последовательностью, присутствующей в «Романеско». В результате резуховидка начала принимать конические формы, схожие с фракталами римской капусты. Авторы отметили что для этого не понадобилось существенно менять генетику растений.

Исследователи предполагают, что могут существовать и другие мутации, ответственные за фрактальность цветущих растений. Они планируют выяснить это в будущих исследованиях.

Источники

• Материалы исследования опубликованы в статье «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks» в журнале Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
• Автор заметки: Екатерина Хананова, редактор хабра. Заметка дополнена редактором Klumba.org