Не само „Фрактал Кукумбер“: научници објаснили фракталну структуру купуса Романеско

Можда се сећате мема са фракталним краставцем из хумористичког видеа о „Руском киберселу“. Али да ли знате да се у природи заиста налази огроман број фракталних структура, укључујући и биљке?

Међународна група истраживача проучавала је фракталну структуру карфиола Романеско и изоловала гене који су основа његовог формирања. Затим су научници изменили гене моделне биљке Arabidopsis thaliana (резуховитка Таља) у складу са откривеним фракталним обрасцем гена карфиола. Као резултат тога, биљка је репродуковала сличне фракталне шаре, укључујући спиралне конусне фрактале.

„Купус Романеско“ или „Римски купус“ припада истој сортној групи као и карфиол. Али, за разлику од свог рођака, сваки пупољак „Романеско“ састоји се од низа мањих пупољака, који формирају логаритамску спиралу и фрактални образац. Број спирала у пупољку „Романеско“ описује се Фибоначијевим бројевима. Дељење било ког броја из ове секвенце са бројем који му претходи, формира златни пресек.

Природа настанка оваквог природног фрактала постала је предмет пажљивог проучавања ботаничара и математичара. Још 1898. године, немачки научник Вилхелм Хофмајстер открио је да је Фибоначијева спирала најефикаснији начин паковања листова. Како биљка расте, сваки наредни пупољак или лист ће се кретати радијално према споља брзином пропорционалном брзини раста стабљике. Други лист ће расти што даље од првог, а трећи ће расти на једнакој удаљености од првог и другог. Добијена решеткаста структура биљке при таквој дистрибуцији назива се „филотаксис“.

Међународна група научника проучавала је генетску структуру „Романеско“ и утврдила механизам појаве фрактала.

Ткиво биљке које ствара нове ћелије (меристем) састоји се од недиференцираних ћелија из којих се развијају делови биљке распоређени спирално. Испоставило се да у случају „Романеско“ меристем формира пупољке који би требало да се развију у цветове, али уместо тога појављују се стабљике. Ове стабљике расту без листова. Уместо њих, оне развијају пупољке из којих се појављују нове стабљике. Као резултат тога, формира се образац понављајућих стабљика на стабљикама. Конусни облик „Романеско“ добија захваљујући томе што првобитне стабљике расту брже од његових пупољака и наредних стабљика. Аутори истраживања су претпоставили да се овај механизам појавио као резултат доместификације сорте.

Следећи корак истраживача био је проналажење гена одговорних за ове процесе. Конкретно, научници су се фокусирали на проучавање меристема. Резултати истраживања показали су да је управо меристем одговоран за формирање конусних фрактала код „Романеско“. Меристем на крају не формира цветове, већ привремено развија ткива тако као да би из њих требало да се појаве пупољци. У одређеном тренутку програм се мења, и из пупољака се развијају стабљике. Мутација у четири гена (означених иницијалима S, A, L и T), присутна код „Романеско“, у одређеном тренутку стимулише раст меристема и централне стабљике, захваљујући чему се формирају конусне структуре.

Ова хипотеза је пронашла потврду током испитивања на моделарној биљци резуховитка Таља. Истраживачи су изменили кључне гене биљке у складу са секвенцом присутном у „Романеско“. Као резултат тога, резуховитка је почела да поприма конусне облике, сличне фракталима римског купуса. Аутори су истакли да за то није било потребно значајно мењати генетику биљака.

Истраживачи претпостављају да могу постојати и друге мутације одговорне за фракталност цветних биљака. Планирају да то утврде у будућим истраживањима.

Извори

• Материјали истраживања објављени су у чланку „Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks“ у часопису Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
• Аутор белешке: Екатерина Хананова, уредник хабра. Белешка је допуњена уредником Klumba.org.