Kalafior i chaos, fraktal w każdym kwiecie

Kalafior i chaos, fraktal w każdym kwiecie

Mnisi mieli kiedyś nadzieję, że za pomocą alchemii zamienią ołów w złoto. Ale zamiast tego rozważ kalafior. Wystarczy dwa geny, aby przekształcić regularne łodygi, łodygi i kwiaty bezsmakowego gatunku Brassica oleracea w wspaniałą kompozycję, taką jak to chmuropodobne fraktalne warzywo.

To prawdziwa alchemia, mówi Christophe Godin, starszy pracownik naukowy w Narodowym Instytucie Badań Nauk Cyfrowych i Technologii w Lyonie we Francji.

Dr Godin bada architekturę roślin, hipotetycznie modelując ewolucję kształtów różnych gatunków w trzech wymiarach. Zastanawiał się, jakie modyfikacje genetyczne kryją się za rozłożonymi spiralami kalafiora i logarytmicznymi fraktalami Romanesco, odmiany kalafiora, którą można prawie pomylić z kryształem.

„Jak natura jest w stanie zbudować tak nieoczekiwane rzeczy?” Zapytał. Jakie mogą za tym kryć się zasady?

Piętnaście lat temu dr Godin poznał François Barsi, biologa roślin z Narodowego Centrum Badań Naukowych w Grenoble we Francji. W dr Parsi dr Godin znał złego kolegę Fractal Flowers.

„Nie ma mowy, abyś nie zauważył, że to wspaniałe warzywo” – powiedział dr Barsi, odnosząc się do Romanesco.

Dzięki pasji Brassica, dr Godin i dr Parsi zbadali genetyczną tajemnicę geometrii fraktalnej zarówno w kalafiorach romańskich, jak i standardowych, przywołując rośliny w modelach matematycznych, a także uprawiając je w prawdziwym życiu. Ich odkrycia, które sugerują, że fraktale tworzą się w odpowiedzi na zmiany w sieciach genów rządzących wzrostem kwiatów, zostały opublikowane w czwartek w: Nauka.

„To fascynujące połączenie genetyki z jednej strony i rygorystycznego modelowania z drugiej” – powiedział Michael Boruganan, biolog z New York University, który nie był zaangażowany w badania. „Próbują pokazać, że poprawiając zasady interakcji genów, można uzyskać drastyczne zmiany w roślinie”.

Na początku XXI wieku dr Parsi sądził, że rozumie brokuły. Uczył nawet lekcji ewolucji kwiatów. “Co to jest kalafior? Jak może rosnąć? Dlaczego tak wygląda? “, powiedział.

Kalafior, podobnie jak brukselka, ma łodygi ze strąków edukacja selektywna Z Brassica oleracea. Ludzie hodowali brukselkę na pąki boczne i brokuły na grona kwiatowe. Jednak kalafior nie wytwarza pąków kwiatowych; Kwiatostany lub pąki kwiatowe nigdy nie dojrzewają do produkcji kwiatów. Zamiast tego różyczki kalafiora tworzą spiralne repliki, tworząc skupiska twarogu jak wegański ser.

Kiedy obaj badacze omawiali kalafior, dr Godin zasugerował, że jeśli dr Parsi naprawdę rozumiał roślinę, modelowanie ewolucji morfologicznej warzywa powinno być łatwe. Jak się okazuje, nie było.

Dwaj pierwsi natknęli się na zakrzepłe bagno na planszy i narysowali różne sieci genetyczne, które mogłyby wyjaśnić, w jaki sposób roślina zmutowała do swojej obecnej formy. Ich inspiracją była Arabidopsis thaliana, dobrze zbadane zioło z tej samej rodziny co kalafior i jego wielu kuzynów.

Jeśli kalafior ma pojedynczy kalafior u podstawy rośliny, Arabidopsis ma wiele podobnych do kalafiora struktur wzdłuż długiej łodygi. Ale jakie geny mogłyby przerobić ten szczuplejszy kalafior w jeden duży, zwarty kalafior? A jeśli zidentyfikują te geny, czy mogą posmarować kalafiorem szczyty utworzone przez Romanescus?

Aby odpowiedzieć na te pytania, naukowcy dopracowali sieć genów i włączyli ją za pomocą modeli matematycznych, generując ją w 3D i mutując w prawdziwym życiu. „Wyobrażasz sobie coś, ale dopóki tego nie zaprogramujesz, nie wiesz, jak to będzie wyglądać” – powiedział dr Parsi.

(W trakcie badań dr Barsi zebrał również kilka próbek Romanesco z lokalnego targu rolników, zsekwencjonował je i przeanalizował. Następnie wraz z kolegami zjadał resztki, często surowe z różnymi sosami, wraz ze szklankami piwa.)

Zawiodłem kilka prototypów i nie przypomina kalafiora. Początkowo naukowcy sądzili, że klucz do kalafiora leży w długości łodygi. Ale kiedy zaprogramowali rośliny Arabidopsis z krótką łodygą i bez niej, zdali sobie sprawę, że nie muszą zmniejszać rozmiaru łodygi kalafiora ani w modelach 3D, ani w prawdziwym życiu.

A brokuły, które symulowali i hodowali, nie były po prostu wystarczająco fraktalne. Wzory były widoczne tylko na dwóch fraktalnych skalach, jak spirala zagnieżdżona w innym wirze. W przeciwieństwie do tego, pospolity kalafior często wykazuje samopodobieństwo w co najmniej siedmiu łuskach fraktalnych, co oznacza spiralę skręconą w spiralę zagnieżdżoną w wirze zagnieżdżonym w wirze pośredniczącym na końcu drugiego.

Więc zamiast skupiać się na łodydze, skupili się na merystemie, obszarze tkanki roślinnej na czubku każdej łodygi, gdzie aktywnie dzielące się komórki wytwarzają nowy wzrost. Postawili hipotezę, że powiększenie merystemu zwiększy liczbę produkowanych pąków.

Jedynym problemem było to, że naukowcy nie wiedzieli, który gen może kontrolować częstotliwość produkcji merystemów.

Pewnego dnia Eugenio Azpetia, wówczas habilitant w laboratorium dr Godina, przypomniał sobie gen, o którym wiadomo, że zmienia rozmiar centralnego obszaru merystemu. Trzej badacze cieszyli się krótką chwilą euforii, a następnie cierpliwie czekali miesiącami na wzrost nowo zmodyfikowanego Arabidopsis. Kiedy pąki wyrosły, miały kalafior z charakterystycznymi stożkowatymi główkami.

„Przypomina nam to bardzo, co dzieje się w Romanesco” – powiedział z dumą dr Godin.

Zwykle, gdy roślina kiełkuje kwiat, końcówka kwitnienia rośliny zapobiega dalszemu wzrostowi z łodygi. Twaróg kalafiorowy to pączek, który ma stać się kwiatem, ale nigdy się tam nie dostaje, zamiast tego go wyrzuca. Ale eksperymenty badaczy merystemu wykazały, że ponieważ ten pęd przeszedł przez przejściową fazę kwitnienia, jest wystawiony na działanie genu, który prowadzi do jego wzrostu. „Ponieważ byłeś kwiatem, możesz swobodnie rosnąć i możesz strzelać” – powiedział dr Parsi.

Proces ten powoduje reakcję łańcuchową, w której merystem wytwarza wiele kiełków, które z kolei tworzą wiele pąków, aktywując fraktalną geometrię kalafiora.

To nie jest normalny kikut” – powiedział dr Goodin. „To noga bez liścia. Noga bez umysłu”.

„To jedyny sposób na zrobienie kalafiora” – powiedział dr Parsi.

Naukowcy twierdzą, że prawdopodobnie istnieją inne mutacje odpowiedzialne za niesamowity kształt Romanesco. Ning Gu, naukowiec z Pekińskiego Centrum Badań Warzywniczych, który również bada możliwy mechanizm genetyczny kryjący się za strukturą twarogu z kalafiora, mówi, że artykuł dostarczył „wielu inspiracji”.

„Historia jeszcze się nie skończyła” – powiedział dr Godin, dodając, że on i dr Parsi będą nadal ulepszać swoje modele kalafiorów. „Ale wiemy, że jesteśmy na dobrej drodze”.

Ale mówią, że są otwarci na studiowanie czegokolwiek z kwiatów.

You May Also Like

About the Author: Ellen Doyle

„Amatorski praktykujący muzykę. Wieloletni przedsiębiorca. Odkrywca. Miłośnik podróży. Nieskrępowany badacz telewizji”.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *