Πώς το κουνουπίδι πήρε τα νόστιμα fractals του

Κινηματογράφηση σε πρώτο πλάνο του ρωμαϊκού κουνουπιδιού. Πίστωση: Rom Bukolik Monkey / Flickr

Για τουλάχιστον δύο χιλιάδες χρόνια, οι άνθρωποι έχουν παρατηρήσει ότι πολλά φυτά μεγαλώνουν φύλλα ή λουλούδια σε σπειροειδή μορφή. Μερικά από αυτά τα φυτά, όπως το μπρόκολο, το κάνουν ένα βήμα παραπέρα, αναπτύσσοντας σαλιγκάρια σε αυτο-επαναλαμβανόμενα μοτίβα γνωστά ως φράκταλ. Τα μοτίβα που προκύπτουν είναι συναρπαστικά και ενδιαφέροντα, που θέτει το ερώτημα: Γιατί το κουνουπίδι και άλλα φυτά που μοιάζουν με φράκταλ μεγαλώνουν έτσι; Γάλλοι ερευνητές στο CNRS έκαναν αυτήν την ακριβή ερώτηση και εντόπισαν έναν υποκείμενο γενετικό μηχανισμό που παράγει τη γεωμετρία του φράκταλ.

Τα Fractals περιγράφηκαν για πρώτη φορά μαθηματικά από τον Πολωνό μαθηματικό Benoit Mandelbrot στη δεκαετία του 1970. Το καθοριστικό του χαρακτηριστικό έχει τον ίδιο βαθμό παρατυπίας σε όλες τις κλίμακες – κοιτώντας ψηλά ή κοιτάζοντας τα πάντα. Είναι επίσης περίπλοκο και ακανόνιστο. Σύννεφα, βουνά, ακτές, κουνουπίδι, ακόμη και γαλαξίες είναι όλα παραδείγματα φυσικών fractals.

Ένα μικρό μέρος του cloud είναι εντυπωσιακά παρόμοιο με τα πάντα. Ένα πεύκο αποτελείται από κλαδιά που αποτελούνται από κλαδιά – τα οποία με τη σειρά τους αποτελούνται από κλαδιά. Οι πυραμιδικοί βλαστοί του ρωμαϊκού κουνουπιδιού συσσωρεύονται κατά μήκος ατελείωτων σπειρών, φιλοξενώντας μικρότερους βλαστούς της ίδιας γεωμετρίας και ούτω καθεξής. Βρήκατε την ιδέα.

Εάν μετράτε τις σπείρες σε ένα ρωμαϊκό κουνουπίδι – και η Etienne Farcote, επίκουρη καθηγήτρια μαθηματικών στο Πανεπιστήμιο του Nottingham – τώρα οι τιμές τείνουν να είναι αυτές κατά μήκος της ακολουθίας Fibonacci, όπου ο επόμενος αριθμός στη σειρά είναι το άθροισμα του οι δύο που προηγούνται. Ένα τυπικό κουνουπίδι έχει πέντε σπείρες που αναπτύσσονται δεξιόστροφα και οκτώ αριστερόστροφα, για παράδειγμα.

READ  Η NASA επιλέγει το SpaceX για να ξεκινήσει την αποστολή αστροφυσικής ύψους 99 εκατομμυρίων δολαρίων
Πέντε σπείρες δεξιόστροφα στο κουνουπίδι (αριστερά) και οκτώ σπείρες αριστερόστροφα στο ίδιο φυτό. Πίστωση: Etienne Farcote.

Ο Farco συνεργάστηκε με τον François Barsi, έναν γενετιστή στο Εθνικό Κέντρο Επιστημονικής Έρευνας στη Γαλλία και τον Christophe Godin, έναν ειδικό στη μοντελοποίηση φυτών και την επιστήμη των υπολογιστών στο Γαλλικό Ινστιτούτο Υπολογιστικών Επιστημών και Μαθηματικών, για να διερευνήσει γιατί αυτό το αξιοσημείωτο λάχανο αυξάνει το φράκταλ μπουμπούκια.

Μετά από χρόνια προσεκτικής μαθηματικής και γενετικής ανάλυσης, καθώς και μοντελοποίησης υπολογιστών, οι ερευνητές κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι τα ασυνήθιστα σαλιγκάρια είναι το αποτέλεσμα του μπρόκολου που προσπαθεί να μεγαλώσει λουλούδια – και να αποτύχει στη διαδικασία.

Το κουνουπίδι έχει αδιαφοροποίητα κύτταρα στις συμβουλές διακλάδωσης που διαιρούνται και θέλουν να αναπτυχθούν σε άλλα όργανα. Αυτά τα κύτταρα παράγουν μπουμπούκια που πρέπει να ανθίσουν σε λουλούδια, αλλά καταλήγουν να παράγουν περισσότερους μπουμπούκια αντ ‘αυτού, που κάνουν τους δικούς τους μπουμπούκια κ.λπ. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε μια αυτοεπιλεγμένη μετάλλαξη κατά την εξημέρωση του κουνουπιδιού.

Αυτή η διαδικασία αυτο-αντιγραφής εμφανίζεται νωρίς στην ανάπτυξη των φυτών και οφείλεται στη δράση τεσσάρων γονιδίων που σχηματίζουν ένα σύνθετο “γονιδιακό δίκτυο”. Σε αυτό το δίκτυο, η έκφραση των τεσσάρων γονιδίων αλλάζει συνεχώς έτσι ώστε μερικά από αυτά να ενεργοποιούνται ή να απενεργοποιούνται σε συγκεκριμένες ώρες.

Προκειμένου να επικυρωθεί αυτή η θεωρία, οι ερευνητές δημιούργησαν δύο μαθηματικά μοντέλα. Κάποιος περιγράφει το σχηματισμό σαλιγκαριών που εμφανίζονται σε μεγάλα φυτά κουνουπιδιών. Το άλλο περιγράφει το γονιδιακό δίκτυο στο Arabidopsis, ένα φυτό που σχετίζεται με την ίδια οικογένεια με το κουνουπίδι και ένα από τα πιο εκτεταμένα μελετημένη από γενετική άποψη.

Μετά από κάποια δοκιμή και σφάλμα, οι ερευνητές μπόρεσαν να αναπαραγάγουν φυτά μπρόκολου και romanesco στους υπολογιστές τους ακριβώς όπως φαίνονται στην πραγματική ζωή. Επιπλέον, τροποποίησαν την ανάπτυξη του μεταλλαγμένου μπρόκολου Arabidopsis, μετατρέποντάς το αποτελεσματικά σε μινιατούρα Romanesco.

“Είναι εκπληκτικό το πόσο περίπλοκη είναι η φύση. Την επόμενη φορά που θα φάτε μπρόκολο για δείπνο, αφιερώστε λίγο χρόνο για να το απολαύσετε πριν το φάτε”, είπε ο Farcott.

Τα αποτελέσματα περιγράφονται στο περιοδικό Επιστήμη.

READ  Οι επιστήμονες μελετούν το σήμα που προέρχεται από το αστέρι Proxima Centauri - Technology News, Firstpost

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *