Ви можете пам’ятати мем із фрактальним огірком із гумористичного відео про “Руську кіберсело”. Але чи знаєте ви, що в живій природі насправді зустрічається величезна кількість фрактальних структур, у тому числі у рослин?
Міжнародна група дослідників вивчила фрактальну структуру цвітної капусти Романеско та виділила гени, що лежать в основі її утворення. Потім вчені змінили гени модельної рослини різушки Таля (Arabidopsis thaliana) відповідно до виявленого фрактального паттерна генів цвітної капусти. В результаті рослина відтворила схожі фрактальні візерунки, включаючи спіральні конічні фрактали.
«Капуста Романеско» або «Римська капуста» належить до тієї ж сортової групи, що й цвітна капуста. Але, на відміну від своєї родички, кожен бутон «Романеско» складається з ряду дрібніших бутонів, що утворюють логарифмічну спіраль та фрактальний візерунок. Кількість спіралей у бутоні «Романеско» описується числами Фібоначчі. Ділення будь-якого числа з цієї послідовності на число, що йде перед ним, утворює золотий перетин.
Природа виникнення подібного природного фракталу стала об’єктом пильного вивчення у ботаніків та математиків. Ще у 1898 році німецький вчений Вільгельм Хофмайстер виявив, що спіраль Фібоначчі — найефективніший спосіб пакування листя. По мірі росту рослини кожен наступний бутон або лист буде рухатися назовні радіально зі швидкістю, пропорційною швидкості росту стебла. Другий лист ростиме якнайдалі від першого, а третій ростиме на однаковій відстані від першого та другого. Решітчаста структура рослини, що утворилася при такому розподілі, називається «філотаксис».
Міжнародна група вчених вивчила генетичну структуру «Романеско» та встановила механізм появи фракталів.
Рослинна тканина, що утворює рослини (меристема), складається з недиференційованих клітин, з яких розвиваються частини рослини, розташовані по спіралі. Виявилося, що у випадку з «Романеско» меристема утворює бутони, які повинні розпуститися у квіти, але замість цього з’являються стебла. Ці стебла ростуть без листя. Замість них вони нарощують бруньки, з яких з’являються нові стебла. В результаті формується візерунок з повторюваних стебел на стеблах. Конічну форму «Романеско» набуває завдяки тому, що початкові стебла ростуть швидше, ніж його бруньки та наступні стебла. Автори дослідження припустили, що цей механізм з’явився в результаті одомашнення сорту.
Наступним кроком дослідників став пошук генів, відповідальних за ці процеси. Зокрема, вчені зосередилися на вивченні меристеми. Результати досліджень показали, що саме меристема відповідальна за утворення конічних фракталів у «Романеско». Меристема в кінцевому підсумку не утворює квіти, але тимчасово розвиває тканини так, ніби з них мають з’явитися бутони. У певний момент програма змінюється, і з бутонів розвиваються стебла. Мутація в чотирьох генах (позначених ініціалами S, A, L та T), присутня у «Романеско», у певний момент стимулює ріст меристеми та центрального стебла відповідно, завдяки чому формуються конічні структури.
Ця гіпотеза знайшла підтвердження під час випробувань на модельній рослині різушці Таля. Дослідники змінили ключові гени рослини відповідно до послідовності, присутньої в «Романеско». В результаті різушка почала набувати конічних форм, схожих з фракталами римської капусти. Автори зазначили, що для цього не знадобилося суттєво змінювати генетику рослин.
Фото BlueRidgeKitties. Ліцензія CC BY-NC-SA 2.0.
Дослідники припускають, що можуть існувати й інші мутації, відповідальні за фрактальність квітучих рослин. Вони планують з’ясувати це в майбутніх дослідженнях.
Джерела
- Матеріали дослідження опубліковані у статті «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks» у журналі Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- Автор замітки: Катерина Хананова, редактор хабра. Замітка доповнена редактором Klumba.org