Květák a chaos, fraktální v každém květu

Mniši kdysi doufali, že alchymií promění olovo ve zlato. Ale místo toho zvažte květák. K přeměně pravidelných stonků, stonků a květů bez chuti druhu Brassica oleracea na nádhernou kompozici, jako je tato oblačná fraktální zelenina, jsou zapotřebí pouze dva geny.

To je skutečná alchymie, říká Christophe Godin, vedoucí výzkumný pracovník Národního institutu pro výzkum v digitálních vědách a technologiích ve francouzském Lyonu.

Dr. Godin studuje architekturu rostlin hypotetickým modelováním vývoje tvarů různých druhů ve třech rozměrech. Přemýšlel, jaká genetická modifikace je za rozloženými spirálami květáku a logaritmickými fraktály Romanesca, kultivaru květáku, který lze téměř zaměnit za krystal.

„Jak je příroda schopna postavit takové neočekávané věci?“ Na otázku. Jaká by za tím mohla být pravidla?

Před patnácti lety se Dr. Godin setkal s Françoisem Barsi, biologem rostlin v Národním centru pro vědecký výzkum ve francouzském Grenoblu. V Dr. Parsi znal Dr. Godin zlého kolegu Fractal Flowers.

„Neexistuje způsob, jak si nemůžete všimnout, že je to skvělá zelenina,“ řekl doktor Barsi s odkazem na Romanesco.

Díky vášni Brassica zkoumali Dr. Godin a Dr. Parsi genetické tajemství fraktální geometrie v románském i standardním květáku, evokovali rostliny v matematických modelech a také je pěstovali v reálném životě. Jejich nálezy, které naznačují vznik fraktálů v reakci na posuny v genových sítích, které řídí růst květin, byly zveřejněny ve čtvrtek v Věda.

„Je to fascinující sloučení genetiky na jedné straně a důsledného modelování na straně druhé,“ řekl Michael Boruganan, biolog z New York University, který se výzkumu nezúčastnil. „Snaží se ukázat, že vylepšením pravidel interakce genů můžete v rostlině dosáhnout drastických změn.“

Na začátku roku 2000 si Dr. Parsi myslel, že brokolici rozumí. Dokonce učil hodiny květinové evoluce. „Co je to květák? Jak může růst? Proč to tak vypadá?“ Řekl.

Květák, stejně jako růžičková kapusta, pochází ze lusků selektivní vzdělávání Z Brassica oleracea. Lidé chovali růžičkovou kapustu pro boční pupeny a brokolici pro květinové klastry. Květák však neprodukuje poupata; Květenství nebo poupata nikdy nedozrávají k produkci květin. Místo toho květáky květáku generují ve spirále své repliky a vytvářejí shluky tvarohu, jako je veganský sýr.

Když oba vědci diskutovali o květáku, Dr. Godin navrhl, že pokud Dr. Parsi rostlině opravdu rozumí, mělo by být snadné modelovat morfologický vývoj zeleniny. Jak se ukázalo, nebylo.

Ti dva se poprvé setkali se sraženým močálem na desce a vytvořili různé genetické sítě, které by mohly vysvětlit, jak rostlina zmutovala do své současné podoby. Jejich inspirací byla Arabidopsis thaliana, dobře studovaná bylina ze stejné rodiny jako květák a mnoho jeho bratranců.

Pokud má květák na základně rostliny jediný květák, pak má Arabidopsis podél své dlouhé stopky mnoho struktur podobných květáku. Ale jaké geny by mohly tento štíhlejší květák vylepšit do jednoho velkého kompaktního květáku? A pokud identifikují tyto geny, mohou rozmazat tento květák do vrcholů tvořených Romanescus?

Aby odpověděli na tyto otázky, vědci vylepšili genovou síť a zapnuli ji pomocí matematických modelů, generovali ji ve 3-D a mutovali v reálném životě. „Představujete si něco, ale dokud to nenaprogramujete, nevíte, jak to bude vypadat,“ řekl doktor Parsi.

(V průběhu výzkumu dr. Barsi také shromáždil několik vzorků Romanesca z místního farmářského trhu, roztřídil je a rozřezal. Spolu se svými kolegy potom snědl zbytky, často syrové různými omáčkami, spolu se sklenicemi piva.)

Zklamal jsem několik prototypů a nevypadá to moc jako květák. Nejprve si vědci mysleli, že klíč ke květáku spočívá v délce stonku. Ale když naprogramovali rostliny Arabidopsis s krátkou stopkou a bez ní, uvědomili si, že nemusí zmenšovat velikost stonku květáku, ať už ve 3D modelech, nebo v reálném životě.

A brokolice, kterou simulovali a pěstovali, prostě nebyla dostatečně fraktální. Vzory byly viditelné pouze na dvou fraktálních stupnicích, jako spirála vnořená do jiného víru. Naproti tomu běžný květák často vykazuje sebepodobnost alespoň na sedmi fraktálních stupnicích, z čehož vyplývá spirála splétaná ve šroubovici vnořená do víru vnořeného do víru vnořeného do intervenujícího víru na konci druhého.

Takže místo toho, aby se zaměřili na stonku, zaměřili se na meristém, oblast rostlinné tkáně na špičce každého stonku, kde aktivně se dělící buňky produkují nový růst. Předpokládali, že zvětšení meristému zvýší počet vyprodukovaných pupenů.

Jediným problémem bylo, že vědci nevěděli, který gen může řídit frekvenci produkce meristému.

Jednoho dne si Eugenio Azpetia, poté postdoktorand v laboratoři Dr. Godina, vzpomněl na gen, o kterém je známo, že mění velikost centrální oblasti meristému. Tři vědci si užili krátký okamžik euforie, poté trpělivě čekali měsíce, než nově upravená Arabidopsis poroste. Když rašily pupeny, měly květák s výraznými kuželovitými hlavami.

„Tolik nám to připomíná, co se děje v Romanesco,“ řekl hrdě doktor Godin.

Normálně, když rostlina vyklíčí květinu, kvetoucí špička rostliny brání dalšímu růstu ze stonku. Karfiolový tvaroh je pupen, který je navržen tak, aby se stal květinou, ale nikdy se tam nedostane, místo toho ho odhodí. Ale experimenty meristemových vědců zjistily, že protože tento výhonek prošel přechodnou fází kvetení, je vystaven genu, který vede k jeho růstu. „Protože jste byla květina, můžete volně růst a můžete střílet,“ řekl doktor Parsi.

Tento proces vytváří řetězovou reakci, při které meristém produkuje mnoho klíčků, což zase vytváří mnoho pupenů a aktivuje fraktální geometrii květáku.

Není to normální pařez, “řekl doktor Goodin. „Je to noha bez listu. Noha bez mysli.“

„To je jediný způsob, jak vyrobit květák,“ řekl doktor Parsi.

Vědci tvrdí, že za úžasný tvar Romanesca jsou pravděpodobně další mutace. Ning Gu, výzkumný pracovník v Pekingském výzkumném středisku pro zeleninu, který také studuje možný genetický mechanismus, který stojí za strukturou tvarohového květáku, říká, že článek poskytl „spoustu inspirace“.

„Příběh ještě neskončil,“ řekl Dr. Godin a dodal, že s Dr. Parsi budou i nadále vylepšovat své modely květáku. „Ale víme, že jsme na správné cestě.“

Ale říkají, že jsou připraveni studovat cokoli od květin.