Article

Цветная Капуста И Хаос, Фракталы В Каждом Цветочке

Ученые пытаются воссоздать гипнотические фрактальные спирали цветной капусты Романеско.

Кредит. Эван Сун для The New York Times

Сабрина Имблер

  • 8 июля 2021 г.

Когда-то монахи надеялись превратить свинец в золото с помощью алхимии. Но рассмотрите вместо этого цветную капусту. Всего два гена превратят обычные стебли, стебли и цветы сорняков безвкусного вида Brassica oleracea в образование, столь же чудесное, как этот фрактальный, похожий на облака овощ.

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

Доктор Годин изучает архитектуру растений, виртуально моделируя развитие форм различных видов в трех измерениях. Он задавался вопросом, какая генетическая модификация скрывается за вложенными спиралями цветной капусты и логарифмическими зеленовато-желтыми фракталами Романеско, сорта цветной капусты, которую почти можно принять за кристалл.

«Как природа может создавать такие неожиданные объекты?» он спросил. «Какие могут быть правила за этим?»

Пятнадцать лет назад доктор Годен познакомился с Франсуа Парси, биологом растений из Национального центра научных исследований в Гренобле, Франция. В Докторе Парси доктор Годин узнал друга-дьявола по фрактальным цветочкам.

«Невозможно не заметить, что это такой великолепный овощ». сказал доктор Парси, имея в виду Романеско.

Воодушевленные страстью к брассике, доктор Годин и доктор Парси исследовали генетическую тайну фрактальной геометрии как в романеско, так и в стандартной цветной капусте, создавая растения в математических моделях, а также выращивая их в реальной жизни. Их результаты, которые предполагают, что фракталы образуются в ответ на сдвиги в сетях генов, управляющих развитием цветков, опубликованы в четверг в журнале Science.

READ  Long Covid: Открытие Мошеннических Антител Вселяет Надежду На Анализ Крови

«Это такая хорошая интеграция генетики, с одной стороны, и тщательного моделирования, с другой». сказал Майкл Пуругганан, 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 считал, что разбирается в цветной капусте. Он даже преподавал уроки его цветочного развития. «Что такое цветная капуста? Как это может расти? Почему это выглядит так? » он сказал.

Цветная капуста, как и брюссельская капуста, возникла в результате многовекового селекционного разведения Brassica oleracea. Люди выращивали брюссельскую капусту для получения боковых почек и цветную капусту для получения цветочных гроздей. Цветная капуста, однако, не дает бутонов; их соцветия или цветоносные побеги никогда не созревают, чтобы дать цветы. Вместо этого соцветия цветной капусты образуют копии самих себя по спирали, образуя скопления творога, такие как творог на растительной основе.

Когда два исследователя обсуждали цветную капусту, доктор Годин предположил, что, если доктор Парси действительно понимает растение, можно легко смоделировать морфологическое развитие овоща. Как оказалось, не было.

Двое первых столкнулись со свернувшимся трясиной на доске, зарисовывая различные диаграммы генетических сетей, которые могли бы объяснить, как овощ мутировал в его нынешнюю форму. Их музой был Arabidopsis thaliana, хорошо изученный сорняк из того же семейства, что и цветная капуста и ее многочисленные родственники.

READ  Что Делать На Улице Четвертого Июля: Смотреть Салют, Бегать, Ходить В Походы.

Если у цветной капусты есть одна цветная капуста у основания растения, у арабидопсиса есть много похожих на цветную капусту структур вдоль его удлиненного стебля. Но какие гены могут превратить эти меньшие цветные капусты в одну большую компактную цветную капусту? И если бы они идентифицировали эти гены, смогли бы они превратить эту цветную капусту в пики, которые образуют романеско??

цветной, капуста, фракталы

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи настроили генную сеть и пропустили ее через математические модели, сгенерировали бы ее в трехмерном пространстве и мутировали бы 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 Парси также собрал несколько образцов романеско со своего местного фермерского рынка, секвенировал и проанализировал их. Затем он и его коллеги съели остатки, чаще всего сырые с разными соусами, вместе с стаканами пива)

Многие начальные модели провалились, мало походив на цветную капусту. Сначала исследователи полагали, что ключ к цветной капусте лежит в длине стебля. Но когда они запрограммировали 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.

READ  Неделя Еды: Рецепты От Шеф-Повара И Кулинарного Писателя Дженни Дорси

И цветная капуста, которую они смоделировали и вырастили, просто не была достаточно фрактальной. Узоры были видны только на двух фрактальных масштабах, например, одна спираль вложена в другую спираль. Напротив, обычная цветная капуста часто демонстрирует самоподобие по крайней мере в семи фрактальных масштабах, что означает спираль, вложенную в спираль, вложенную в спираль, вложенную в спираль, вложенную в спираль, вложенную в спираль, вложенную, в конечном итоге, в другую спираль.

Поэтому вместо того, чтобы сосредоточиться на стебле, они сконцентрировались 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 побегов.

Единственная проблема заключалась в том, что исследователи не знали, какой ген может контролировать скорость образования побегов меристемы.

Источник