Неопытному глазу растения могут казаться довольно импульсивными, выскакивая листья случайным образом, создавая один большой зеленый кувшин. Присмотритесь поближе, и вы обнаружите, что по всему естественному миру всплывает несколько необычно правильных узоров, от сбалансированной симметрии побегов бамбука до завораживающих спиралей суккулентов.
Фактически, эти схемы достаточно последовательны, чтобы холодная, жесткая математика могла достаточно хорошо предсказать органический рост. Одно предположение, которое было центральным в изучении филлотаксиса или паттернов листьев, заключается в том, что листья защищают их личное пространство. Основываясь на идее о том, что уже существующие листья оказывают тормозящее влияние на новые, испуская сигнал, чтобы не дать другим расти поблизости, ученые создали модели, которые могут успешно воссоздать многие из общих дизайнов природы. Например, увлекательная последовательность Фибоначчи проявляется во всем - от аранжировки семян подсолнечника до раковин наутилуса и сосновых шишек. В настоящее время принято считать, что за такие паттерны отвечают движения ауксина гормона роста и белков, которые транспортируют его по всему растению.
Расположение листьев с одним листом на узел называется альтернативным филлотаксисом, тогда как расположение листьев с двумя или более листьями на узел называется мутовчатым филлотаксисом. Распространенными альтернативными типами являются филлотаксис (бамбук) и спиральный филлотаксис Фибоначчи (суккулентное спиральное алоэ), а распространенными мутантами являются филлотаксис (базилик или мята) и трикуссатный филлотаксис ( олеандр Nerium, иногда известный как собачий мук). (Такааки Йонекура под CC-BY-ND) Тем не менее, некоторые листовые схемы продолжают ставить в тупик популярные модели роста растений, включая уравнения Дуади и Каудера (известные как DC1 и DC2), которые доминировали с 1990-х годов. Команда исследователей из Токийского университета, занимающаяся изучением куста, известного как Orixa japonica, обнаружила, что более ранние уравнения не могли воссоздать необычную структуру растения, поэтому они решили пересмотреть саму модель. Их обновленная модель, описанная в новом исследовании PLOS Computational Biology, не только воспроизводит некогда неуловимый паттерн, но и может описывать другие, более общие схемы, лучше, чем предыдущие уравнения, говорят авторы.
«У большинства растений филлотаксические 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, филлотаксическая картина не симметрична, что очень интересно. Более 10 лет назад мне пришла в голову мысль, что некоторые изменения в ингибирующей способности каждого листового зачатка могут объяснить эту особую закономерность ».
Ботаники используют углы расхождения или углы между последовательными листьями, чтобы определить филлотаксис растения. В то время как большинство схем расположения листьев сохраняют постоянный угол расхождения, кустарник O. japonica, который является родным для Японии и других частей Восточной Азии, выращивает листья в чередующемся ряду из четырех повторяющихся углов: 180 градусов, 90 градусов, снова 180 градусов, затем 270 градусов.
Куст Orixa japonica с различными углами расхождения листьев. (Qwert1234 через Wikicommons под CC BY-SA 4.0) Этот паттерн, который исследователи назвали «orixate» филлотаксисом, является не однократной аномалией, так как растения из других таксонов (таких как «раскаленный покер» цветок Kniphofia uvaria или креп-мирт Lagerstroemia indica ) чередуют свои листья в одном и том же сложная последовательность. Поскольку расположение листьев появляется в разных точках эволюционного дерева, авторы пришли к выводу, что сходство происходит от общего механизма, который требует дальнейшего изучения.
После тестирования уравнений Дуади и Каудера с различными параметрами, авторы смогли получить схемы, которые были близки к чередующемуся расположению ориксата, но ни одно из смоделированных растений не соответствовало идеально образцам O. japonica, которые они анализировали и изучали. Поэтому команда создала новую модель, добавив еще одну переменную в уравнения Дуади и Каудера: возраст листа. В предыдущих моделях предполагалось, что ингибирующая способность листьев оставалась неизменной с течением времени, но эта константа «не была естественной с точки зрения биологии», говорит Сугияма. Вместо этого команда Сугиямы учитывала возможность того, что сила этих «сдерживающих» сигналов менялась со временем.
Получившиеся модели, которые команда называет расширенными моделями Дуади и Кудера, EDC1 и EDC2, преуспели в воссоздании посредством компьютеризированного роста сложных листовых композиций O. japonica . Помимо этого подвига, расширенные уравнения также производили все другие распространенные модели листвы и предсказывали собственные частоты этих сортов более точно, чем предыдущие модели. Особенно в случае растений со спиральным рисунком, новая модель EDC2 предсказывала «супер-доминирование» спирали Фибоначчи по сравнению с другими механизмами, в то время как предыдущие модели не объясняли, почему эта конкретная форма, кажется, появляется повсюду в природе.
«Наша модель, EDC2, может генерировать шаблоны orixate в дополнение ко всем основным типам филлотаксиса. Это явно преимущество перед предыдущей моделью », - говорит Сугияма. «EDC2 также лучше соответствует естественным проявлениям различных паттернов».
Листья на ветви Orixa japonica (вверху слева) и принципиальная схема филлотаксиса ориксата (справа). Шаблон orixate отображает своеобразное четырехступенчатое изменение угла между листьями. Изображение на сканирующем электронном микроскопе (в центре и внизу слева) показывает зимний бутон O. japonica, где сначала начинают расти листья. Первичные листья помечены последовательно с самым старым листом как P8 и самым молодым листом как P1. Метка O обозначает вершину побега. (Такааки Йонекура / Акитоши Ивамото / Мунетака Сугияма под CC-BY) Авторы пока не могут прийти к выводу, что именно приводит к тому, что возраст листьев влияет на эти модели роста, хотя Сугияма предполагает, что это может быть связано с изменениями в системе транспорта ауксина в ходе развития растения.
Такие загадки могут быть решены путем «толчка и натяжения» между вычислительными моделями и лабораторными экспериментами, говорит Сира Мартинес, вычислительный биолог, который не принимал участия в исследовании. Модель авторов обеспечивает захватывающий шаг к лучшему пониманию филлотаксиса и оставляет место для других ботаников, чтобы заполнить пробелы с рассечением и анализом растений.
«С моделями, хотя мы еще не знаем точного механизма, нам, по крайней мере, дают мощные подсказки о том, что искать», - говорит Мартинес в электронном письме. «Теперь нам просто нужно посмотреть на молекулярные механизмы реальных растений, чтобы попытаться выяснить, что предсказывает модель».
Нисходящий вид паттернов расположения листа в «orixate» филлотаксисе, когда новые листья (красные полукруги) формируются из вершины побега (центральный черный круг) и растут наружу (Takaaki Yonekura под CC-BY-ND) Команда Сугиямы работает над тем, чтобы еще больше усовершенствовать свою модель и заставить ее генерировать все известные филлотаксические паттерны. Один «таинственный» листовой паттерн, спираль с крошечным углом расхождения, все еще уклоняется от вычислительного предсказания, хотя Сугияма считает, что они близки к взлому листового кода.
«Мы не думаем, что наше исследование практически полезно для общества», - говорит Сугияма. «Но мы надеемся, что это будет способствовать нашему пониманию симметричной красоты в природе».
