Kouluttamattomalle silmälle kasvit saattavat näyttää kasvavan melko impulsiivisesti, popping lehtiä sattumanvaraisesti muodostaen yhden suuren vihreän sekoituksen. Tutustu kuitenkin tarkemmin ja huomaat, että muutama uteliaasti säännöllinen malli ilmestyy ympäri luonnon maailmaa, bambuversojen tasapainoisesta symmetriasta mehikasvien spiraaleihin.
Itse asiassa nämä mallit ovat riittävän johdonmukaisia, jotta kylmä, kova matematiikka voi ennustaa orgaanisen kasvun melko hyvin. Yksi oletus, joka on ollut keskeinen fyloksitaudin eli lehtikuvioiden tutkimuksessa, on, että lehdet suojaavat heidän henkilökohtaista tilaa. Perustuen ajatukseen, että jo olemassa olevilla lehdillä on estävä vaikutus uusiin, antaen signaalin estääksesi muita kasvamasta lähistöllä, tutkijat ovat luoneet malleja, jotka voivat luoda menestyksekkäästi monia luonnon yhteisiä malleja. Esimerkiksi aina kiehtova Fibonacci-sekvenssi näkyy kaikessa auringonkukansiemenjärjestelyistä nautilus-kuoriin ja mäntyihin. Nykyinen yksimielisyys on, että kasvuhormonin auksiinin ja sen läpi kasvien kuljettavien proteiinien liikkeet ovat vastuussa tällaisista malleista.
Lehden järjestelyä, jossa on yksi lehti per solmu, kutsutaan vaihtoehtoiseksi fyllotaxikseksi, kun taas järjestelyä, jossa on kaksi tai useampia lehtiä solmua kohti, kutsutaan whorled phyllotaxikseksi. Yleisimpiä vaihtoehtoisia tyyppejä ovat distichous phyllotaxis (bambu) ja Fibonacci spiraalifyllotaxis (mehevä spiraalilee), ja yleisiä rypistyneitä tyyppejä ovat decussate phyllotaxis (basilika tai minttu) ja tricussate phyllotaxis (Nerium oleander, joskus kutsutaan dogbane). (Takaaki Yonekura alaisuudessa CC-BY-ND) Tietyt lehtijärjestelyt kuitenkin edelleen kantavat suosittuja malleja kasvien kasvulle, mukaan lukien Douady- ja Couder-yhtälöt (tunnetaan nimellä DC1 ja DC2), jotka ovat hallinneet 1990-luvulta lähtien. Tokion yliopiston tutkijoiden johtama ryhmä, joka tutkii Orixa japonica -nimistä pensasta, havaitsi, että aikaisemmat yhtälöt eivät pystyneet luomaan kasvin epätavallista rakennetta, joten he päättivät miettiä itse mallia. Heidän päivitetty malli, joka kuvataan uudessa tutkimuksessa PLOS Computational Biology- tutkimuksessa, ei vain toista kerran vaikeasti tavoitettua mallia, vaan se voi myös kuvata muita, yleisempiä järjestelyjä, jotka ovat parempia kuin aikaisemmat yhtälöt, kirjoittajat sanovat.
"Useimmissa kasveissa fyllotaktisilla kuvioilla on symmetria - spiraalisymmetria tai radiaalinen symmetria", sanoo Tokion yliopiston kasvien fysiologi Munetaka Sugiyama, uuden tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. ”Mutta tässä erityisessä Orixa japonica -kasvissa fylaktinen kuvio ei ole symmetrinen, mikä on erittäin mielenkiintoista. Yli 10 vuotta sitten minulta tuli ajatus, että eräät muutokset kunkin lehden alkion estovoimassa voivat selittää tämän erikoisen kuvion. ”
Kasvitieteilijät määrittelevät kasvien fyloksitaksin erotuskulmat tai peräkkäisten lehtien väliset kulmat. Vaikka suurin osa lehtijärjestelymallit pitävät jatkuvan erotuskulman, Japanissa ja muualla Itä-Aasiassa kotoisin oleva O. japonica- pensas kasvaa lehtiä vuorotellen neljästä toistuvasta kulmasta: 180 astetta, 90 astetta, taas 180 astetta, sitten 270 astetta.
Orixa japonica- pensas, jossa lehdet ovat erilaisissa erokulmissa näkyvissä. (Qwert1234 Wikicommonsin kautta CC BY-SA 4.0: n kautta) Tämä malli, jota tutkijat kutsuivat ”orixate” -syylitaksiksi, ei ole vain kerran tapahtunut poikkeavuus, koska muiden taksien kasvit (kuten ”punaisen kuuman pokerin kukka Kniphofia uvaria ” tai ”crepe myrtle Lagerstroemia indica” ) vuorottelevat heidän lehtensä samassa monimutkainen järjestys. Koska lehtien järjestely esiin nousee evoluutiopuun eri paikoissa, kirjoittajat päättelivät, että samankaltaisuus tuli yhteisestä mekanismista, joka oikeutti lisätutkimuksia.
Kun testattiin Douady- ja Couder-yhtälöt eri parametreilla, kirjoittajat pystyivät tuottamaan kuvioita, jotka olivat lähellä vuorottelevaa oriksaatiojärjestelyä, mutta mikään simuloiduista kasveista ei vastannut täydellisesti niiden leikattujen ja tutkittujen O. japonica -näytteiden kanssa. Joten joukkue rakensi uuden mallin lisäämällä toisen muuttujan Douady- ja Couder-yhtälöihin: lehden ikä. Entisten mallien mukaan oletettu lehtien estovoima pysyi samana ajan myötä, mutta tämä vakio ei ollut ”luonnollista biologian kannalta”, Sugiyama sanoo. Sen sijaan Sugiyama-ryhmä antoi mahdollisuuden, että näiden “pidä poissa” -signaalien voimakkuus muuttui ajan myötä.
Tuloksena olevat mallit - joihin tiimi viittaa laajentuneina Douady- ja Couder-malleina, EDC1 ja EDC2 - onnistuivat uusimaan tietokoneistetun kasvun kautta O. japonican monimutkaiset lehtijärjestelyt . Tämän saavutuksen lisäksi laajennetut yhtälöt tuottivat myös kaikki muut yleiset lehtien kuviot ja ennustivat näiden lajikkeiden luonnolliset taajuudet tarkemmin kuin aikaisemmat mallit. Erityisesti spiraalikuvioisissa kasveissa uusi EDC2-malli ennusti Fibonacci-spiraalin ”supervaltaa” verrattuna muihin järjestelyihin, kun taas aikaisemmat mallit eivät selittäneet miksi tämä tietty muoto näyttää olevan kaikkialla luonnossa.
”Mallamme, EDC2, voi tuottaa oriksointikuvioita kaikkien tärkeimpien fyloksitaksien lisäksi. Tämä on selvästi etu verrattuna edelliseen malliin ”, Sugiyama sanoo. "EDC2 sopii paremmin myös erilaisten kuvioiden luonnolliseen esiintymiseen."
Lehdet Orixa japonica -haaralle (vasen yläosa) ja kaavio orixate phyllotaxiksesta (oikea). Orixate-malli näyttää erikoisen nelisyklisen muutoksen lehtien välisessä kulmassa. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva (keskimmäinen ja vasen alaosa) näyttää O. japonican talvipungon, jossa lehdet alkavat ensin kasvaa. Alkeislehdet merkitään peräkkäin vanhimmalla lehdellä P8: lla ja nuorimmalla lehtillä P1: llä. Tarra O merkitsee ampumakärjen. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama alaisuudessa CC-BY) Kirjoittajat eivät voi vielä päätellä, mikä aiheuttaa lehden ikään tarkalleen vaikutuksen näihin kasvutapoihin, vaikka Sugiyama olettaa, että sen voi olla tehtävä Auxin-kuljetusjärjestelmän muutoksissa kasvin kehityksen aikana.
Tällaiset salaisuudet voitaisiin ratkaista "työntämällä ja laskemalla" laskennallisten mallien ja laboratoriokokeiden välillä, kertoo laskennallinen biologi Ciera Martinez, joka ei ollut mukana tutkimuksessa. Tekijöiden malli tarjoaa mielenkiintoisen askeleen kohti parempaa ymmärtämistä fyllotaksista ja jättää tilaa muille kasvitieteilijöille täyttää aukot kasvien leikkauksella ja analyysillä.
"Malleilla, vaikka emme ehkä vielä tiedä tarkkaa mekanismia, meille annetaan ainakin voimakkaita vihjeitä siitä, mitä kannattaa etsiä", Martinez sanoo sähköpostissa. "Nyt meidän on vain tutkittava tarkemmin todellisten kasvien molekyylimekanismeja yrittääksemme löytää, mitä malli ennustaa."
Ylhäältäpäin näkymä "orixate" -syylitaksissa olevista lehtien järjestelykuvioista, kun uudet lehdet (punaiset puolipiirit) muodostuvat verson kärjestä (musta musta ympyrä) ja kasvavat ulospäin. (Takaaki Yonekura alla CC-BY-ND) Sugiyama-ryhmä pyrkii parantamaan malliaan entisestään ja saamaan sen tuottamaan kaikki tunnetut fyllotaktiset kuviot. Yksi ”salaperäinen” lehtikuvio, kierre, jolla on pieni erotuskulma, kiertää edelleen laskennallista ennustamista, vaikka Sugiyama luuleekin olevansa lähellä murtamaan lehtilehden koodia.
"Emme usko, että tutkimuksemme on käytännössä hyödyllistä yhteiskunnalle", Sugiyama sanoo. "Mutta toivomme, että se auttaa ymmärtämään luonnon symmetristä kauneutta."
