Du kanske minns memen med den fraktala gurkan från humorvideon om ”Ryska cyberbyn”. Men visste du att det i naturen faktiskt finns ett stort antal fraktala strukturer, även hos växter?
En internationell forskargrupp har studerat den fraktala strukturen hos Romanesco-blomkålen och identifierat de gener som ligger till grund för dess bildning. Forskarna ändrade sedan generna hos modellväxten sandskära (Arabidopsis thaliana) i enlighet med det identifierade fraktala mönstret hos blomkålsgenerna. Som ett resultat reproducerade växten liknande fraktala mönster, inklusive spiralformade koniska fraktaler.
”Romanesco-kål” eller ”romersk kål” tillhör samma sortgrupp som blomkål. Men, till skillnad från sin släkting, består varje ”Romanesco”-knopp av en rad mindre knoppar som bildar en logaritmisk spiral och ett fraktalt mönster. Antalet spiraler i en ”Romanesco”-knopp beskrivs av Fibonaccital. Divisionen av vilket som helst tal i denna sekvens med det föregående talet bildar gyllene snittet.
Naturen bakom uppkomsten av en sådan naturlig fraktal har blivit föremål för intensiv forskning bland botaniker och matematiker. Redan 1898 upptäckte den tyske forskaren Wilhelm Hofmeister att Fibonaccispiralen är det mest effektiva sättet att packa blad. När växten växer kommer varje efterföljande knopp eller blad att röra sig radiellt utåt med en hastighet proportionell mot stammens tillväxthastighet. Det andra bladet kommer att växa så långt som möjligt från det första, och det tredje kommer att växa på samma avstånd från det första och andra. Den resulterande gitterstrukturen hos växten kallas ”fyllotaxis”.
En internationell grupp forskare har studerat den genetiska strukturen hos ”Romanesco” och fastställt mekanismen för hur fraktaler uppstår.
Växternas bildande vävnad (meristem) består av odifferentierade celler från vilka växtdelar utvecklas, arrangerade i en spiral. Det visade sig att i fallet med ”Romanesco” bildar meristemet knoppar som borde blomma ut till blommor, men istället uppstår stjälkar. Dessa stjälkar växer utan blad. Istället bildar de knoppar från vilka nya stjälkar växer fram. Resultatet är ett mönster av upprepade stjälkar på stjälkarna. Den koniska formen hos ”Romanesco” uppstår på grund av att de ursprungliga stjälkarna växer snabbare än dess knoppar och efterföljande stjälkar. Forskarna föreslog att denna mekanism uppstod som ett resultat av sortens domesticering.
Nästa steg för forskarna var att hitta de gener som är ansvariga för dessa processer. I synnerhet fokuserade forskarna på att studera meristemet. Forskningsresultaten visade att det är just meristemet som är ansvarigt för bildandet av koniska fraktaler hos ”Romanesco”. Meristemet bildar i slutändan inga blommor, men utvecklar tillfälligt vävnader som om de skulle bilda knoppar. Vid en viss tidpunkt ändras programmet, och stjälkar utvecklas från knopparna. En mutation i fyra gener (betecknade med initialerna S, A, L och T), som finns hos ”Romanesco”, stimulerar vid en viss tidpunkt tillväxten av meristemet och den centrala stjälken, vilket resulterar i att koniska strukturer bildas.
Denna hypotes bekräftades under tester på modellväxten sandskära. Forskarna ändrade växtens nyckelgener i enlighet med sekvensen som finns i ”Romanesco”. Som ett resultat började sandskäran anta koniska former som liknade de romerska kålens fraktaler. Författarna noterade att detta inte krävde betydande förändringar av växternas genetik.
Foto: BlueRidgeKitties. Licens CC BY-NC-SA 2.0.
Forskarna antar att det kan finnas andra mutationer som är ansvariga för fraktaliteten hos blommande växter. De planerar att undersöka detta i framtida studier.
Källor
- Studiematerialet publicerades i artikeln ”Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks” i tidskriften Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- Artikelns författare: Ekaterina Khananova, redaktör för Habr. Artikeln kompletterad av redaktören för Klumba.org