Tudomány

Karfiol és káosz, fraktálok minden virágban

A szerzetesek egykor azt remélték, hogy az alkímia révén az ólom arannyá válik. De inkább a karfiolt vegyük figyelembe. Mindössze két génre van szükség ahhoz, hogy a gyomos, ízetlen Brassica oleracea faj közönséges szárát, szárát és virágát olyan csodálatos formációvá alakítsa, mint ez a fraktál, felhőszerű zöldség.

Ez az igazi alkímia – mondja Christophe Godin, a franciaországi Lyonban, a Digitális Tudomány és Technológia Országos Kutatóintézetének vezető kutatója.

Dr. Godin a növényépítészetet tanulmányozza, és gyakorlatilag három dimenzióban modellezi a különböző fajok formáinak fejlődését. Kíváncsi volt, milyen genetikai módosítás rejlik a karfiol beágyazott spiráljai és a Romanesco logaritmikus chartreuse fraktáljai mögött, amely egy karfiolfajta, amelyet szinte összetéveszthető kristálynak.

“Hogyan képes a természet ilyen váratlan tárgyakat építeni?” kérdezte. – Milyen szabályok lehetnek ennek hátterében?

Tizenöt évvel ezelőtt Dr. Godin találkozott François Parcy-val, a franciaországi Grenoble-i Nemzeti Tudományos Kutatóközpont növénybiológusával. Dr. Parcy-ban Dr. Godin felismerte a fraktálvirágok társát.

“Semmiképp sem veheti észre, hogy ez egy olyan gyönyörű zöldség” – mondta Dr. Parcy a Romanesco-ra hivatkozva.

A Brassica iránti szenvedélytől árasztva Dr. Godin és Dr. Parcy a freska geometria genetikai rejtélyét vizsgálták mind a romanesco-ban, mind a standard karfiolban, matematikai modellekbe varázsolva a növényeket és a való életben is megnövelve őket. Eredményeiket, amelyek arra utalnak, hogy a fraktálok a virágfejlődést irányító génhálózatok elmozdulásának hatására alakulnak ki, csütörtökön Tudomány.

“Ez egyrészt a genetika olyan szép integrációja, másrészt a szigorú modellezés” – mondta Michael Purugganan, a New York-i Egyetem biológusa, aki nem vett részt a kutatásban. “Megpróbálják megmutatni, hogy a gének kölcsönhatásának szabályait módosítva drámai változásokat érhet el egy növényben.”

A 2000-es évek elején Dr. Parcy úgy gondolta, hogy megérti a karfiolt. Még osztályokat is tartott a virág fejlődéséről. „Mi az a karfiol? Hogyan nőhet? Miért néz ki így? ő mondta.

A karfiol, akárcsak a kelbimbó, évszázadok óta származik szelektív tenyésztés a Brassica oleracea. Az emberek oldalbimbóknak kelbimbót, a virágfürtökhöz pedig karfiolt tenyésztettek. A karfiol azonban nem hoz virágrügyet; virágzataik vagy virágtartó hajtásaik soha nem érnek virágot termelni. Ehelyett a karfiolvirágzatok spirálban készítik a másolataikat, és olyan túrócsoportokat hoznak létre, mint a növényi túró.

Amikor a két kutató a karfiolról tárgyalt, Dr. Godin azt javasolta, hogy ha Parcy doktor valóban megérti a növényt, akkor a zöldség morfológiai fejlődését könnyen modellezni kell. Mint kiderült, nem az volt.

Ketten először a táblán szembesültek a túrós ingovábbal, felvázolva a genetikai hálózatok különféle diagramjait, amelyek megmagyarázhatják, hogyan mutálódott a zöldség a jelenlegi alakjába. Múzsájuk az Arabidopsis thaliana volt, jól tanulmányozott gyom, ugyanabban a családban, mint a karfiol és sok unokatestvére.

Ha egy karfiolnak egyetlen karfiol van a növény tövében, akkor Arabidopsis hosszú karján sok karfiolszerű szerkezet található. De milyen gének finomíthatják ezeket a kisebb karfiolokat egy nagy, kompakt karfiolba? És ha azonosítanák ezeket a géneket, megvethetnék-e ezeket a karfiolokat a Romanescos által alkotott csúcsokba?

E kérdések megválaszolásához a kutatók módosítanák a génhálózatot, és matematikai modelleken futtatnák, 3-D-ben generálnák és mutálnák a való életben. “Elképzel valamit, de amíg be nem programozza, nem tudja, hogy fog kinézni” – mondta Dr. Parcy.

(A kutatás során Dr. Parcy a Romanesco több példányát is összegyűjtötte a helyi gazda piacáról, szekvenálta és boncolgatta őket. Ezután kollégáival a maradékon vacsorázott, leggyakrabban nyersen, különböző mártásokkal, valamint egy pohár sörrel. .)

Sok kezdeti modell lebukott, alig hasonlítva a karfiolra. Eleinte a kutatók úgy gondolták, hogy a karfiol kulcsa a szár hosszában rejlik. Amikor azonban rövid szárral és anélkül programozták az Arabidopsist, rájöttek, hogy a karfiol szárméretét sem a 3-D modellekben, sem a való életben nem kell csökkenteniük.

És az általuk szimulált és növelt karfiolok egyszerűen nem voltak elég fraktálok. A minták csak két fraktálskálán voltak láthatók, például az egyik spirál egy másik spirálban fészkelt. Ezzel szemben egy szabályos karfiol gyakran önhasonlóságot mutat legalább hét fraktálskálán, ami azt jelenti, hogy egy spirál fészkébe illesztett spirálba fészkelt be egy spirálba fészkelt spirálba fészkelt spirál, amely végül egy másik spirálba fészkelt.

Tehát ahelyett, hogy a szárra összpontosítanának, a merisztémára koncentráltak, a növényi szövet régiójára az egyes szárak hegyén, ahol az aktívan osztódó sejtek új növekedést hoznak létre. Feltételezték, hogy a merisztéma nagyobbá tétele növeli az előállított hajtások számát.

Az egyetlen probléma az volt, hogy a kutatók nem tudták, hogy mely gén szabályozhatja a merisztéma hajtástermelésének ütemét.

Egy nap, Eugenio Azpeitia, majd Dr. Godin laboratóriumi posztdoktori munkatársa, emlékezett egy génre, amelyről ismert volt, hogy megváltoztatta a merisztéma központi zónájának méretét. A három kutató rövid ideig tartó eufóriát élvezett, majd hónapokig türelmesen várták az újonnan módosított Arabidopsisuk növekedését. Amikor a hajtások kihajtottak, karfioljuk volt, külön kúpos csúcsokkal.

– Nagyon emlékeztet arra, ami a román stílusban történik – mondta büszkén Dr. Godin.

Normális esetben, amikor egy növény kihajt egy virágot, a növény virágzó hegye megakadályozza a szár növekedését. A karfiol túró egy rügy, amelyet úgy terveztek, hogy virág legyen, de soha nem teszi egészen oda, hanem hajtást hajt végre. De a kutatók a merisztémában végzett kísérletei azt találták, hogy mivel ez a hajtás átmeneti virágos szakaszon ment keresztül, egy olyan génnek van kitéve, amely kiváltja a növekedését. “Mivel virág voltál, szabadon növekedhetsz, és lőhetsz” – mondta Dr. Parcy.

Ez a folyamat olyan láncreakciót hoz létre, ahol a merisztéma sok hajtást hoz létre, amelyek viszont sokkal több hajtást hoznak létre, megvalósítva egy karfiol fraktálgeometriáját.

– Ez nem normális szár – mondta Dr. Godin. – Ez levél nélküli szár. Gátlástalan szár. ”

– Csak így lehet karfiolt készíteni – mondta Dr. Parcy.

A kutatók szerint valószínűleg más mutációk is felelősek a Romanesco látványos alakjáért. Ning Guo, a pekingi zöldségkutató központ kutatója, aki a karfiol túrójának felépítésében rejlő potenciális genetikai mechanizmust is tanulmányozza, szerinte a cikk „sok ihletet” kínált.

“A történet még nem fejeződött be” – mondta Dr. Godin, hozzátéve, hogy ő és Dr. Parcy folytatják karfiolmodelljeik finomítását. – De tudjuk, hogy jó úton haladunk.

De nyitottak, mondják, bármi tanulmányozására, ami virágzik.