Учёные объяснили фрактальную структуру цветной капусты | STROKA.info

Учёные объяснили фрактальную структуру цветной капусты


Международная группа исследователей изучила фрактальную структуру цветной капусты и выделила гены, лежащие в основе её образования. После учёные изменили гены модельного растения резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) в соответствии с выявленным фрактальным паттерном цветной капусты. В результате растение воспроизвело схожие фрактальные узоры, включая спиральные конические фракталы.

«Капуста Романеско» или «Римская капуста» относится к той же сортовой группе, что и цветная капуста. Но, в отличие от своей родственницы, каждый бутон «Романеско» состоит из ряда более мелких бутонов, образующих логарифмическую спираль и фрактальный узор. Количество спиралей в бутоне «Романеско» описывается числами Фибоначчи. Деление любого числа из этой последовательности на число, идущее перед ним, образует золотое сечение

Природа возникновения такого же естественного фрактала стала объектом пристального изучения у ботаников и математиков. Ещё в 1898 году немецкий учёный Вильгельм Хофмейстер обнаружил, что спираль Фибоначчи — самый эффективный способ упаковки листьев. По мере роста растения каждый последующий бутон или лист будет двигаться наружу радиально со скоростью, пропорциональной скорости роста стебля. Второй лист будет расти как можно дальше от первого, а третий будет расти на одинаковом расстоянии от первого и второго. Получившаяся при таком распределении решётчатая структура растения называется «филлотаксис». 

Примеры филлотаксиса 
Примеры филлотаксиса 

Международная группа учёных изучила генетическую структуру «Романеско» и установила механизм появления фракталов. 

Образующая растительная ткань растений (меристема) состоит из недифференцированных клеток, из которых развиваются части растения, расположенные по спирали. Оказалось, что в случае с «Романеско» меристема образует бутоны, которые обязаны распуститься в цветы, но вместо этого появляются стебли. Эти стебли растут без листьев. Вместо них они наращивают почки, из которых появляются новые стебли. В результате формируется узор из повторяющихся стеблей на стеблях. Коническую форму «Романеско» приобретает благодаря тому, что изначальные стебли растут быстрее, чем его почки и последующие стебли. Авторы исследования предположили, что этот механизм появился в результате одомашнивания сорта. 

Следующим шагом исследователей стал поиск генов, ответственных за эти процессы. В частности, учёные сосредоточились на изучении меристемы. Результаты исследований показали, что только меристема ответственна за образование конических фракталов у «Романеско». Меристема в конечном счёте не образует цветы, но временно развивают ткани так, будто из них обязаны появиться бутоны. В определённый час программа меняется, и из бутонов развиваются стебли. Мутация в четырёх генах (обозначенных инициалами S, A, L и T), присутствующая у «Романеско», в определённый час стимулирует рост меристемы и центрального стебля соответственно, благодаря чему формируются конические структуры. 

Эта гипотеза нашла подтверждение во время испытаний на модельном растении резуховидке Таля. Исследователи изменили ключевые гены растения в соответствии с последовательностью, присутствующей в «Романеско». В результате резуховидка начала принимать конические формы, схожие с фракталами римской капусты. Авторы сказали что для этого не понадобилось значительно менять генетику растений. 

Исследователи предполагают, что имеют возможность существовать и другие мутации, ответственные за фрактальность цветущих растений. Они планируют выяснить это в будущих исследованиях. 

Материалы исследования опубликованы в статье «Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks» в журнале Science DOI: 10.1126/science.abg5999.



Источник Хабр

Previous post Дональд Трамп: «Почему я подаю в суд на Big Tech» (The Wall Street Journal, США)
Самый популярный смартфон Apple подешевел в России Next post Самый популярный смартфон Apple подешевел в Российской Федерации