Fraktale w kalafiorze
Nie każde warzywo zasłużyło sobie na okładkę czasopisma „Science”. Bohaterem czerwcowego numeru jest kalafior romanesco. Naukowcom udało się ustalić, jak powstaje jego niezwykła struktura przypominająca matematyczne fraktale. Okazuje się, że odpowiedzialny za to jest mechanizm genetyczny, w którym zwykle powstają pąki kwiatów. Tym razem jest on nieustannie przerywany i rozpoczynany od nowa – stąd niezwykła mnogość specyficznie ukształtowanych pędów.
Natura jest pełna wzorów matematycznych. Regularność czy symetria zjawisk i roślin budzi od zawsze fascynację człowieka. W przyrodzie znaleźć też można liczne przykłady fraktali, czyli złożonych zjawisk, w których jedna forma powtarza się w małej i dużej skali. Strukturę fraktalną widać między innymi w kryształkach lodu i w gałęziach drzew. Nietrudno ją też dostrzec w kalafiorze, a szczególnie w jego mało popularnej w Polsce odmianie zwanej kalafiorem romanesco (wł. broccolo romanesco, ang. romanesco broccoli, romanesque cauliflower).
Naukowcy obserwujący to niezwykle atrakcyjne wizualnie warzywo zauważyli już jakiś czas temu, że poszczególne fragmenty jego róży układają się zgodnie z zasadą, która organizuje ciąg Fibonacciego, czyli w taki sposób, że każdy kolejny element jest sumą dwóch poprzednich (matematycznych ciąg Fibonacciego to: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34 itd.). Niekiedy zaczęto nawet żartobliwie określać tę roślinę jako kalafior Fibonacciego.
Uporządkowanie elementów tego warzywa, które przynosi na myśl fraktalne jest też dość wyjątkowe. Zwykle geometryczna organizacja rośliny-fraktalna uporządkowana jest wedle jednej osi głównej i ewentualnie sieci osi drugorzędnych. W tym przypadku natomiast nie ma osi głównej tylko ciąg spiralnych elementów, następujących po sobie i rozwijających się w wielu osiach.
Podziw dla struktury i zachwyt wobec jej symetrii wzbudził motywację do jeszcze innego zagadnienia – jak powstaje tak niezwykła forma? Odpowiedź na to pytanie długo pozostawała zagadką. Dopiero wspólne badania zespołu matematyków i biologów roślin pozwoliły na jej rozwikłanie. Okazuje się, że pędy tworzące tak zwaną różę kalafiora romanesco rozrastają się wedle mechanizmu tworzącego zwykle u rośliny kwiat, ale jest to proces nieustannie wstrzymywany na pewnym etapie i rozpoczynany od nowa.
Pędy na moment wchodzą w stan kwitnienia, ale szybko zatrzymują się w tym procesie. Tempo produkcji pąków u innych odmian kalafiora jest stałe i dlatego są one mniej więcej podobne. Tymczasem w tej odmianie łodygi wytwarzają pąki coraz szybciej i szybciej. Stąd piramidalna forma i struktura, która przypomina matematyczne fraktale.
Właśnie ten nietypowy łańcuch reakcji, niejako zacinająca się maszyna do produkcji kwiatów, tworzy różę niezwykłego kalafiora i pozwala mu, w przeciwieństwie do normalnych łodyg, rosnąć bez liści i rozmnażać się niemal w nieskończoność.
– To niezwykłe, jak skomplikowana jest natura – mówi dr Etienne Farcot, badacz ze School of Mathematical Sciences na Uniwersytecie w Nottingham i współautor publikacji opisującej to zjawisko w czasopiśmie „Science”.
Badacz wyjaśnia, że zagadkę kalafiora udało się wyjaśnić dzięki kombinacji modelowania i analizy eksperymentalnej, wykonanej na zmutowanej laboratoryjnie odmianie rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana). Podkreśla też, że obserwacje poczynione na tej genetycznej mutacji mogą być przydatne dla dalszych badań nad optymalizacją rozwoju roślin jadalnych.
Badania źródłowe: Eugenio Azpeitia et al. 2021. Cauliflower fractal forms arise from perturbations of floral gene networks. Science 373 (6551): 192-197; doi: 10.1126/science.abg5999
Opracowano na podstawie artykułu New Study Reveals How Romanesco Cauliflowers Develop ‘Fractal’ Shape opublikowanego na portalu Sci-News.
