您可能還記得幽默影片《俄羅斯網路鄉村》中的分形黃瓜迷因。但您是否知道，現實世界的自然界中，其實存在著大量的分形結構，其中包括植物？
一個國際研究團隊研究了羅馬花椰菜的分形結構，並識別出其形成背後的基因。隨後，科學家根據在羅馬花椰菜中發現的基因分形模式，修改了模式植物阿拉伯芥（Arabidopsis thaliana）的基因。結果，該植物也重現了相似的分形圖案，包括螺旋錐形分形。
「羅馬花椰菜」或稱「羅馬青花菜」，與花椰菜屬於同一品種群。然而，與其親緣植物不同的是，羅馬花椰菜的每個花蕾都由一系列更小的花蕾組成，這些花蕾形成了對數螺旋和分形圖案。羅馬花椰菜花蕾中的螺旋數量可用 費波那契數列來描述。該數列中任何一個數除以其前一個數，都會形成 黃金比例。
這種自然分形形成的原因，已成為植物學家和數學家們深入研究的對象。早在1898年，德國科學家威廉·霍夫邁斯特就發現，費波那契螺旋是葉片排列最有效的方式。隨著植物生長，每個後續的花芽或葉片會以與莖生長速度成比例的速度向外徑向移動。第二片葉子會盡可能地遠離第一片葉子生長，而第三片葉子則會與第一片和第二片葉子保持相等距離。植物以這種分佈方式形成的網格狀結構被稱為「葉序」（phyllotaxis）。
一個國際科學家團隊研究了羅馬花椰菜的基因結構，並闡明了分形形成的機制。
植物的形成層組織（分生組織）由未分化的細胞組成，這些細胞以螺旋狀排列，並從中發育成植物的各個部分。結果發現，在羅馬花椰菜的情況中，分生組織會形成本應開花的花蕾，但取而代之的是莖。這些莖不長葉子。相反地，它們會長出芽，然後從中冒出新的莖。因此，形成了莖上重複莖的圖案。羅馬花椰菜之所以呈現錐形，是因為最初的莖生長速度比其芽和後續的莖快。研究作者推測，這種機制是該品種馴化後的結果。
研究人員的下一步是尋找負責這些過程的基因。特別是，科學家們專注於研究分生組織。研究結果表明，正是分生組織負責羅馬花椰菜中錐形分形的形成。分生組織最終沒有形成花朵，而是暫時性地發育組織，彷彿它們會長出花蕾。在某個特定時刻，程式改變了，花蕾發育成莖。羅馬花椰菜中存在的四個基因（以S、A、L和T首字母表示）的突變，在特定時刻分別刺激了分生組織和中心莖的生長，從而形成了錐形結構。
這項假設在模式植物阿拉伯芥的試驗中得到了證實。研究人員根據羅馬花椰菜中存在的序列修改了植物的關鍵基因。結果，阿拉伯芥開始呈現出類似羅馬花椰菜分形的錐形形態。作者指出，為此並不需要顯著改變植物的基因。
攝影：BlueRidgeKitties。授權：CC BY-NC-SA 2.0。
研究人員推測，可能還有其他突變導致開花植物的分形特性。他們計劃在未來的研究中釐清這一點。
參考資料
- 研究材料發表在《科學》雜誌的文章《花椰菜分形形態源於花基因網路的擾動》中 (DOI: 10.1126/science.abg5999)。
- 文章作者：葉卡捷琳娜·哈娜諾娃 (Ekaterina Khananova)，Habr 編輯。文章由 Klumba.org 編輯補充。