Bạn có thể nhớ meme về dưa chuột fractal từ video hài hước “Làng Cyber Nga”. Nhưng bạn có biết rằng trong tự nhiên có rất nhiều cấu trúc fractal, bao gồm cả ở thực vật không?
Một nhóm nghiên cứu quốc tế đã nghiên cứu cấu trúc fractal của súp lơ Romanesco và xác định các gen cơ bản tạo nên hình dạng của nó. Sau đó, các nhà khoa học đã thay đổi gen của cây mô hình cải xoong (Arabidopsis thaliana) theo mô hình gen fractal được phát hiện ở súp lơ. Kết quả là cây đã tái tạo các hình mẫu fractal tương tự, bao gồm cả các fractal hình nón xoắn ốc.
“Súp lơ Romanesco” hay “Súp lơ La Mã” thuộc cùng một nhóm giống với súp lơ trắng. Nhưng, không giống như họ hàng của nó, mỗi chồi của “Romanesco” bao gồm một loạt các chồi nhỏ hơn, tạo thành một đường xoắn ốc logarit và một mẫu hình fractal. Số lượng xoắn ốc trong một chồi “Romanesco” được mô tả bằng dãy số Fibonacci. Chia bất kỳ số nào trong dãy này cho số đứng trước nó sẽ tạo thành tỷ lệ vàng.
Bản chất của việc hình thành fractal tự nhiên như vậy đã trở thành đối tượng nghiên cứu sâu của các nhà thực vật học và toán học. Ngay từ năm 1898, nhà khoa học người Đức Wilhelm Hofmeister đã phát hiện ra rằng đường xoắn ốc Fibonacci là cách sắp xếp lá hiệu quả nhất. Khi cây phát triển, mỗi chồi hoặc lá tiếp theo sẽ di chuyển ra ngoài theo hướng xuyên tâm với tốc độ tỷ lệ thuận với tốc độ tăng trưởng của thân cây. Lá thứ hai sẽ mọc xa lá thứ nhất nhất có thể, và lá thứ ba sẽ mọc cách đều lá thứ nhất và thứ hai. Cấu trúc mạng lưới của cây được tạo ra từ sự phân bố này được gọi là “phyllotaxis”.
Một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã nghiên cứu cấu trúc di truyền của “Romanesco” và xác định cơ chế hình thành các fractal.
Mô thực vật sinh trưởng (mô phân sinh) bao gồm các tế bào chưa biệt hóa, từ đó các bộ phận của cây phát triển theo hình xoắn ốc. Hóa ra, trong trường hợp của “Romanesco”, mô phân sinh tạo ra các chồi đáng lẽ phải nở thành hoa, nhưng thay vào đó lại xuất hiện thân cây. Những thân cây này phát triển mà không có lá. Thay vào đó, chúng mọc các chồi, từ đó các thân cây mới xuất hiện. Kết quả là tạo thành một mẫu hình các thân cây lặp đi lặp lại trên các thân cây. Romanesco có hình nón là do các thân cây ban đầu phát triển nhanh hơn các chồi và các thân cây tiếp theo của nó. Các tác giả nghiên cứu cho rằng cơ chế này xuất hiện do quá trình thuần hóa giống cây.
Bước tiếp theo của các nhà nghiên cứu là tìm kiếm các gen chịu trách nhiệm cho các quá trình này. Cụ thể, các nhà khoa học tập trung vào việc nghiên cứu mô phân sinh. Kết quả nghiên cứu cho thấy chính mô phân sinh chịu trách nhiệm cho sự hình thành các fractal hình nón ở “Romanesco”. Mô phân sinh cuối cùng không tạo ra hoa, nhưng tạm thời phát triển các mô như thể chúng sẽ tạo ra các chồi. Vào một thời điểm nhất định, chương trình thay đổi, và từ các chồi phát triển thành thân cây. Đột biến ở bốn gen (được ký hiệu bằng các chữ cái S, A, L và T), có mặt ở “Romanesco”, tại một thời điểm nhất định kích thích sự phát triển của mô phân sinh và thân trung tâm tương ứng, nhờ đó hình thành các cấu trúc hình nón.
Giả thuyết này đã được xác nhận trong các thử nghiệm trên cây mô hình cải xoong. Các nhà nghiên cứu đã thay đổi các gen chính của cây theo trình tự có mặt ở “Romanesco”. Kết quả là cây cải xoong bắt đầu có hình dạng nón, tương tự như các fractal của súp lơ La Mã. Các tác giả lưu ý rằng không cần phải thay đổi đáng kể cấu trúc di truyền của cây để đạt được điều này.
Ảnh BlueRidgeKitties. Giấy phép CC BY-NC-SA 2.0.
Các nhà nghiên cứu cho rằng có thể có những đột biến khác chịu trách nhiệm cho tính fractal của thực vật có hoa. Họ dự định tìm hiểu điều này trong các nghiên cứu tương lai.
Nguồn
- Tài liệu nghiên cứu được công bố trong bài báo “Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks” trên tạp chí Science (DOI: 10.1126/science.abg5999).
- Tác giả bài viết: Ekaterina Khananova, biên tập viên Habr. Bài viết được bổ sung bởi biên tập viên Klumba.org