Цветная капуста и хаос, фрактал в каждом цветке

Когда-то монахи надеялись превратить свинец в золото с помощью алхимии. Но подумайте о цветной капусте. Требуется всего два гена, чтобы превратить обычные стебли, стебли и цветки безвкусных видов Brassica oleracea в великолепную композицию, подобную этой облачно-фрактальной овощной.

«Это настоящая алхимия», — говорит Кристоф Годен, старший научный сотрудник Национального института исследований цифровых наук и технологий в Лионе, Франция.

Доктор Годин изучает архитектуру растений, гипотетически моделируя эволюцию форм различных видов в трех измерениях. Он задавался вопросом, какая генетическая модификация стоит за ступенчатыми спиралями цветной капусты и логарифмическими фракталами романеско, сорта цветной капусты, которую почти можно принять за кристалл.

«Как природа может создавать такие неожиданные вещи?» Спросил. «Какие правила могут стоять за этим?»

Пятнадцать лет назад доктор Годен встретил Франсуа Барси, биолога растений из Национального центра научных исследований в Гренобле, Франция. В Докторе Парси доктор Годин знал злого коллегу Фрактальных Цветов.

«Невозможно не заметить, что это отличный овощ», — сказал доктор Барси, имея в виду Романеско.

Благодаря увлечению Брассики, доктор Годин и доктор Парси исследовали генетическую тайну фрактальной геометрии как в романеско, так и в стандартной цветной капусте, вызывая растения в математических моделях, а также культивируя их в реальной жизни. Их результаты, которые предполагают, что фракталы образуются в ответ на сдвиги в генных сетях, управляющих ростом цветков, были опубликованы в четверг в Наука.

«Это захватывающее сочетание генетики, с одной стороны, и строгого моделирования, с другой», — сказал Майкл Боруганан, биолог из Нью-Йоркского университета, который не принимал участия в исследовании. «Они пытаются показать, что, изменяя правила взаимодействия генов, можно добиться кардинальных изменений в растении».

В начале 2000-х доктор Парси думал, что разбирается в брокколи. Он даже преподавал уроки цветочной эволюции. «Что такое цветная капуста? Как она может расти? Почему она так выглядит?» — сказал он.

Цветная капуста, как и брюссельская, имеет стручки. выборочное обучение Из Brassica oleracea. Люди выращивали брюссельскую капусту для получения боковых почек и брокколи для цветочных гроздей. Однако цветная капуста не дает бутонов; Соцветия или бутоны никогда не созревают, чтобы дать цветы. Вместо этого соцветия цветной капусты образуют копии самих себя по спирали, образуя скопления творога, похожие на веганский сыр.

Когда два исследователя обсуждали цветную капусту, доктор Годин предположил, что, если доктор Парси действительно понимает растение, можно легко смоделировать морфологическую эволюцию овоща. Как оказалось, это не так.

Двое первыми натолкнулись на заболоченное болото на доске и нарисовали различные диаграммы генетических сетей, которые могли объяснить, как растение мутировало в его нынешнюю форму. Их вдохновением был Arabidopsis thaliana, хорошо изученное растение из той же семьи, что и цветная капуста и ее многочисленные родственники.

Если у цветной капусты есть одна цветная капуста у основания растения, то у арабидопсиса много структур, похожих на цветную капусту, вдоль его длинного стебля. Но какие гены могут превратить эту постную цветную капусту в одну большую и компактную цветную капусту? И если они идентифицируют эти гены, могут ли они размазать эту цветную капусту на вершинах, образованных ромесками?

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи изменили генную сеть и включили ее с помощью математических моделей, создавая ее в трехмерном пространстве и видоизменяя в реальной жизни. «Вы представляете что-то, но пока не запрограммируете это, вы не знаете, как это будет выглядеть», — сказал доктор Парси.

(В ходе исследования доктор Барси также собрал несколько образцов романеско с местного фермерского рынка, секвенировал и проанализировал их. Затем он и его коллеги съели остатки, часто сырые с различными соусами, вместе с стаканами пива.)

Я провалил несколько прототипов, и они не очень похожи на цветную капусту. Сначала исследователи думали, что ключ к цветной капусте лежит в длине стебля. Но когда они запрограммировали растения арабидопсис с коротким стеблем и без него, они поняли, что им не нужно уменьшать размер стебля цветной капусты ни в трехмерных моделях, ни в реальной жизни.

И брокколи, которую они смоделировали и выращивали, просто не была достаточно фрактальной. Узоры были видны только на двух фрактальных масштабах, как спираль, вложенная в другой вихрь. Напротив, обычная цветная капуста часто демонстрирует самоподобие по крайней мере на семи фрактальных масштабах, подразумевая спираль, скрученную в спираль, вложенную в вихрь, вложенный в вихрь, вложенный в промежуточный вихрь на конце другого.

Поэтому вместо того, чтобы сосредоточиться на стебле, они сфокусировались на меристеме, участке растительной ткани на кончике каждого стебля, где активно делящиеся клетки производят новый рост. Они предположили, что увеличение размера меристемы увеличит количество производимых почек.

Единственная проблема заключалась в том, что исследователи не знали, какой ген может контролировать частоту образования меристем.

Однажды Эухенио Аспетия, тогда научный сотрудник лаборатории доктора Година, вспомнил о гене, который, как известно, изменяет размер центральной области меристемы. Трое исследователей на короткое время погрузились в эйфорию, а затем несколько месяцев терпеливо ждали, пока вырастет недавно модифицированный арабидопсис. Когда бутоны проросли, у них была цветная капуста с характерными коническими головками.

«Это очень напоминает нам о том, что происходит в Романеско», — гордо сказал д-р Годин.

Обычно, когда растение прорастает цветок, цветущий конец растения предотвращает дальнейший рост стебля. Творог из цветной капусты — это бутон, который должен стать цветком, но никогда не попадает туда, а просто выбрасывает его. Но эксперименты исследователей меристемы показали, что, поскольку этот побег пережил временную фазу цветения, он подвергается воздействию гена, который приводит к его росту. «Поскольку вы были цветком, вы можете расти и стрелять», — сказал доктор Парси.

Этот процесс создает цепную реакцию, в которой меристема дает множество ростков, которые, в свою очередь, создают множество бутонов, активируя фрактальную геометрию цветной капусты.

Это не обычный культя, — сказал доктор Гудин. «Это нога без листа. Нога без разума».

«Это единственный способ приготовить цветную капусту», — сказал доктор Парси.

Исследователи говорят, что, вероятно, есть и другие мутации, ответственные за удивительную форму Романеско. Нин Гу, исследователь Пекинского исследовательского центра овощей, который также изучает возможный генетический механизм, лежащий в основе структуры творога из цветной капусты, говорит, что эта статья «вдохновила».

«История еще не закончена», — сказал д-р Годин, добавив, что он и д-р Парси будут продолжать улучшать свои модели цветной капусты. «Но мы знаем, что находимся на правильном пути».

Но они говорят, что готовы изучать все, что угодно, от цветов.