Расшифровка математических секретов потрясающих узоров листьев растений | Наука
Спиральный узор растения Aloe polyphylla в Ботаническом саду Калифорнийского университета.
Стэн Шебс через Wikicommons под CC BY-SA 3.0
Неискушенному глазу может показаться, что растения растут довольно импульсивно, выбрасывая листья в случайном порядке, образуя одно большое зеленое месиво. Однако присмотритесь повнимательнее, и вы обнаружите, что во всем мире природы появляются любопытно правильные узоры, от сбалансированной симметрии побегов бамбука до завораживающих спиралей суккулентов.
На самом деле, эти паттерны достаточно последовательны, чтобы холодная и жесткая математика могла достаточно хорошо предсказать органический рост. Одно из предположений, которое занимало центральное место в изучении филлотаксиса или структуры листьев, состоит в том, что листья защищают свое личное пространство. Основываясь на идее о том, что уже существующие листья оказывают тормозящее влияние на новые, посылая сигнал, чтобы другие не росли поблизости, ученые создали модели, которые могут успешно воссоздать многие из обычных замыслов природы.
Неизменно увлекательная последовательность Фибоначчи, например, проявляется во всем: от расположения семечек подсолнуха до раковин наутилуса и сосновых шишек. Текущий консенсус заключается в том, что за такие закономерности ответственны перемещения ауксина гормона роста и белков, которые транспортируют его по растению.
Расположение листьев с одним листом на узел называется очередным филлотаксисом, тогда как расположение с двумя или более листьями на узел называется мутовчатым филлотаксисом. Распространенными альтернативными типами являются двулистный филлотаксис (бамбук) и спиральный филлотаксис Фибоначчи (суккулентное спиральное алоэ), а распространенными мутовчатыми типами являются перекрестный филлотаксис (базилик или мята) и трехгранный филлотаксис ( Nerium oleander , иногда известный как собачий яд).
Такааки Йонекура под CC-BY-ND
Тем не менее, определенное расположение листьев продолжает ставить в тупик популярные модели роста растений, включая уравнения Дуади и Кудера (известные как DC1 и DC2), которые доминировали с 1990-х годов.
Группа исследователей из Токийского университета, изучающая куст, известный как Orixa japonica , обнаружила, что предыдущие уравнения не могли воссоздать необычную структуру растения, поэтому они решили переосмыслить саму модель. Их обновленная модель, описанная в новом исследовании PLOS Computational Biology не только воспроизводит ранее неуловимую закономерность, но также может лучше, чем предыдущие уравнения, описывать другие, более распространенные механизмы, говорят авторы.
«У большинства растений филлотактические паттерны имеют симметрию — спиральную симметрию или радиальную симметрию», — говорит физиолог растений Токийского университета Мунетака Сугияма, старший автор нового исследования. «Но у этого особого растения, Orixa japonica , филлотаксический паттерн не симметричен, что очень интересно. Более 10 лет назад мне пришла в голову идея, что некоторые изменения в тормозной силе каждого зачатка листа могут объяснить этот своеобразный паттерн».
Ботаники используют углы расхождения или углы между последовательными листьями, чтобы определить филлотаксис растения. В то время как большинство шаблонов расположения листьев сохраняют постоянный угол расхождения, кустарник O. japonica , произрастающий в Японии и других частях Восточной Азии, выращивает листья в чередующемся ряду четырех повторяющихся углов: 180 градусов, 90 градусов, 180 градусов. снова, затем 270 градусов.
Кустарник Orixa japonica с видимыми углами расхождения листьев.
Qwert1234 через Wikicommons под CC BY-SA 4.0
Этот паттерн, который исследователи назвали «ориксатным» филлотаксисом, является не просто разовой аномалией, поскольку растения из других таксонов (например, цветок «раскаленная кочерга» Kniphofia uvaria или креповый мирт Lagerstroemia indica ) чередуются их листья в той же сложной последовательности. Поскольку расположение листьев появляется в разных местах эволюционного древа, авторы пришли к выводу, что сходство связано с общим механизмом, который требует дальнейшего изучения.
После проверки уравнений Дуади и Кудера с различными параметрами авторы смогли создать модели, которые были близки к чередующемуся расположению ориксатов, но ни одно из смоделированных растений не соответствовало идеально О. japonica образцов они препарировали и изучили. Поэтому команда построила новую модель, добавив в уравнения Дуади и Кудера еще одну переменную: возраст листьев. В прежних моделях предполагалось, что ингибирующая способность листьев остается неизменной с течением времени, но эта константа была «неестественной с точки зрения биологии», — говорит Сугияма. Вместо этого команда Сугиямы допустила возможность того, что сила этих «запретных» сигналов менялась со временем.
Получившиеся в результате модели, которые команда называет расширенными моделями Дуади и Кудера, EDC1 и EDC2, успешно воссоздали, посредством компьютеризированного роста, замысловатое расположение листьев О. японская . Помимо этого подвига, расширенные уравнения также воспроизводили все другие распространенные узоры листвы и предсказывали естественные частоты этих разновидностей более точно, чем предыдущие модели.
Особенно в случае растений со спиральным рисунком новая модель EDC2 предсказала «сверхдоминирование» спирали Фибоначчи по сравнению с другими схемами, в то время как предыдущие модели не смогли объяснить, почему эта конкретная форма появляется повсюду в природе.
«Наша модель, EDC2, может генерировать ориксатные паттерны в дополнение ко всем основным типам филлотаксиса. Это явное преимущество по сравнению с предыдущей моделью», — говорит Сугияма. «EDC2 также лучше подходит для естественного возникновения различных паттернов».
Листья на ветке Orixa japonica (вверху слева) и схематическая диаграмма филлотаксиса ориксата (справа). Ориксатный рисунок демонстрирует своеобразное четырехтактное изменение угла между листьями. Изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (в центре и внизу слева), показывает зимнюю почку O. japonica , где впервые начинают расти листья. Примордиальные листья помечены последовательно: самый старый лист — P8, а самый молодой — P1.
Метка О отмечает верхушку побега.
Такааки Ёнекура / Акитоши Ивамото / Мунетака Сугияма под CC-BY
Авторы пока не могут сделать вывод, что именно заставляет возраст листьев влиять на эти модели роста, хотя Сугияма предполагает, что это может быть связано с изменениями в транспортной системе ауксина в ходе развития растения.
Такие загадки могут быть решены с помощью «тяни-толкай» между вычислительными моделями и лабораторными экспериментами, говорит Сиера Мартинес, биолог-вычислитель, не участвовавшая в исследовании. Модель авторов представляет собой захватывающий шаг к лучшему пониманию филлотаксиса и оставляет место для других ботаников, чтобы заполнить пробелы с помощью вскрытия растений и анализа.
«С моделями, даже если мы еще не знаем точного механизма, мы, по крайней мере, получаем важные подсказки о том, что искать», — говорит Мартинес в электронном письме. «Теперь нам просто нужно присмотреться к молекулярным механизмам в реальных растениях, чтобы попытаться выяснить, что предсказывает модель».
Вид сверху вниз на паттерны расположения листьев при филлотаксисе «ориксата», когда новые листья (красные полукруги) формируются из верхушки побега (центральный черный круг) и растут наружу.
Такааки Йонекура под CC-BY-ND
Команда Сугиямы работает над дальнейшим усовершенствованием своей модели, чтобы заставить ее генерировать все известные филлотактические паттерны. Один «загадочный» рисунок листа, спираль с крошечным углом расхождения, все еще не поддается компьютерному предсказанию, хотя Сугияма считает, что они близки к тому, чтобы взломать листовой код.
«Мы не думаем, что наше исследование имеет практическую пользу для общества, — говорит Сугияма. «Но мы надеемся, что это будет способствовать нашему пониманию симметричной красоты природы».
Рекомендуемые видео
изображений шаблон листьев | Скачать бесплатные картинки на Unsplash
Фотографии шаблона листа | Скачать бесплатные изображения на Unsplash
- A Photophotos 10K
- Степка фотосколков 10K
- Группа людей 0
Фоны
Nature
Pectecture
Wallapp Wallapy
.
Цветочная.
Природа фотонатуральныерастения
Hd pattern wallpaperswellnessYoga images & pictures
vietnamBrown backgroundscoral
Hd wallpapersfernHd forest wallpapers
Hq background imagesleavesHd grey wallpapers
irantehran provincetehran
Hd floral wallpapersflorarhs garden wisley
greenerySummer images & picturescalm
indiakeralaidukki
––– – –––– –––– – –––– – –––– –– – –– –––– – – –– ––– –– –––– – –.
Hd зеленые обои cairns qldaustralia
Текстура backgroundspotteryvase
#листья
#изображение
#зеленый цвет
#фото#флораифауна
#растение
#picture#nature #unsplashselects #unsplash #feedback
plantflower potgeometric shape
Leaf backgroundsnorwayoslo
argentinabuenos airesavenida federico lacroze 2301–2383
Hd autumn wallpapersPumpkin images & picturesacorn
Flower imagesbotanicalfoliage
Hd white wallpapersshadowminimal
Related collections
Лист
282 Фотографии · Куратор Akira
Leaf Motif
574 Фотографии · Куратор Susan H.
Leaf
217 Photo · Cudely Hegbuls
.
#листья
#изображение
#зеленый цвет
#фото#флораифауна
#растение
#picture#nature #unsplashselects #unsplash #feedback
Leaf backgroundsnorwayoslo
Hq background imagesleavesHd grey wallpapers
irantehran provincetehran
Hd white wallpapersshadowminimal
indiakeralaidukki
Hd green wallpaperscairns qldaustralia
Hd pattern wallpaperswellnessYoga images & pictures
Hd wallpapersfernHd forest wallpapers
Hd autumn wallpapersPumpkin images & picturesacorn
Hd цветочные обоиflorarhs garden wisley
farmerсадоводствосадоводство
–––– –––– –––– – –––– – –––– –– – –– –––– – – –– ––– –– –––– – –.
Природные изображения.
Leaf
217 фото · Куратор Ишба Хиггинс
Flower imagesbotanicalfoliage
greenerySummer images & picturescalm
Unsplash logo
Unsplash+
In collaboration with engin akyurt
Unsplash+
Unlock
Hq background imagesHd wallpaperswallpapera
David Clode
Hd green wallpaperscairns qldaustralia
–––– –––– –––– – –––– – –––– –– – –– –––– – – –– ––– –– –––– – –.