За нетренираното око може да изглежда, че растенията растат доста импулсивно, изпускайки произволно листа, за да създадат една голяма зелена смесица. Погледнете обаче по-отблизо и ще разберете, че няколко любопитни правилни шарки се появяват из целия естествен свят, от балансираната симетрия на бамбуковите издънки до хипнотизиращите спирали на сукулентите.
Всъщност тези модели са достатъчно последователни, че студената, твърда математика може да предскаже сравнително добре органичния растеж. Едно от предположенията, което е било централно за изучаването на филотаксиса или моделите на листата, е, че листата защитават личното им пространство. Въз основа на идеята, че вече съществуващите листа оказват инхибиращо влияние върху нови, излъчвайки сигнал, за да не позволят на други да растат наблизо, учените създадоха модели, които могат успешно да пресъздадат много от общите дизайни на природата. Вечно завладяващата последователност на Фибоначи, например, се проявява във всичко - от подреждането на слънчогледови семки до черупките на наутилус до боровите шишарки. Настоящият консенсус е, че движенията на хормона на растежа ауксин и протеините, които го транспортират в цялото растение, са отговорни за такива модели.
Подреждането на листа с едно листо на възел се нарича алтернативен филотаксис, докато подреждането с два или повече листа на възел се нарича вихрен филотаксис. Най-често срещаните алтернативни видове са дихитален филотаксис (бамбук) и спираловиден филотаксис на Фибоначи (сочната спирална алое), а често срещаните вихрови типове са декусатен филотоксис (босилек или мента) и трикусатен филотаксис ( Nerium oleander, понякога известен като догбан). (Takaaki Yonekura под CC-BY-ND) Въпреки това, някои подредби с листа продължават да спъват популярни модели за растеж на растенията, включително уравненията Douady и Couder (известни като DC1 и DC2), които доминират от 90-те години. Екип, ръководен от изследователи от Университета в Токио, изучаващ храст, известен като Orixa japonica, откри, че по-ранните уравнения не могат да пресъздадат необичайната структура на растението, затова решиха да преосмислят самия модел. Техният актуализиран модел, описан в ново проучване в PLOS Computational Biology, не само възпроизвежда еднократно неуловимия модел, но и може да опише други, по-често срещани схеми, по-добри от предишните уравнения, казват авторите.
„В повечето растения филотактичните модели имат симетрия - спирална симетрия или радиална симетрия“, казва физиологът на растенията от Токио Мунетака Сугияма, старши автор на новото проучване. „Но в това специално растение, Orixa japonica, филотактичният модел не е симетричен, което е много интересно. Преди повече от 10 години ми хрумна идея, че някои промени в инхибиращата сила на всеки листен праймер могат да обяснят този особен модел. "
Ботаниците използват дивергенционните ъгли или ъгли между последователни листа, за да определят филотаксиса на растението. Докато повечето модели на подреждане на листа поддържат постоянен ъгъл на дивергенция, храстът O. japonica, който е местен за Япония и други части на Източна Азия, отглежда листа в редуваща серия от четири повтарящи се ъгли: 180 градуса, 90 градуса, отново 180 градуса, т.е. след това 270 градуса.
Храст от Orixa japonica с видими различни ъгли на дивергенция на листата. (Qwert1234 чрез Wikicommons под CC BY-SA 4.0) Този модел, който изследователите нарекоха „ориксат“ филотаксис, не е просто еднократна аномалия, тъй като растенията от други таксони (като „червения покер“ цвете Kniphofia uvaria или креп мирта Lagerstroemia indica ) редуват листата си в една и съща сложна последователност. Тъй като разположението на листата се появява на различни петна по еволюционното дърво, авторите стигат до заключението, че приликата идва от общ механизъм, който дава основание за по-нататъшно проучване.
След тестване на уравненията Douady и Couder с различни параметри, авторите биха могли да създадат модели, които са близки до редуващото разположение на ориксат, но нито едно от симулираните растения не съвпада перфектно с пробите от O. japonica, които са дисектирали и изследвали. Така екипът изгради нов модел, като добави още една променлива към уравненията Douady и Couder: листна възраст. Бившите модели предполагаха, че инхибиращата сила на листата остава същата с течение на времето, но тази константа „не е естествена от гледна точка на биологията“, казва Сугияма. Вместо това екипът на Сугияма допуска възможността силата на тези „задържани“ сигнали да се променя с течение на времето.
Получените модели - които екипът нарича разширени модели Douady и Couder, EDC1 и EDC2 - успяха да пресъздадат, чрез компютъризиран растеж, сложните механизми на листата на O. japonica . Отвъд този подвиг, разширените уравнения също създадоха всички останали общи модели на зеленина и прогнозираха естествените честоти на тези сортове по-точно от предишните модели. Особено в случая със растения с шарени спирали, новият модел EDC2 предсказваше „супер доминирането“ на спиралата на Фибоначи в сравнение с други схеми, докато предишните модели не успяха да обяснят защо тази конкретна форма изглежда се появява навсякъде в природата.
„Нашият модел EDC2 може да генерира ориентационни модели в допълнение към всички основни видове филотаксис. Това очевидно е предимство пред предишния модел “, казва Сугияма. „EDC2 също така се вписва по-добре в естествената поява на различни модели.“
Листа върху клона на Orixa japonica (горе вляво) и схематична диаграма на ориксат филотаксис (вдясно). Ориксатният модел показва особена промяна в четири цикъла на ъгъла между листата. Сканиращото електронно микроскопско изображение (в центъра и отдолу вляво) показва зимната пъпка на O. japonica, при която листата първо започват да растат. Първичните листа се етикетират последователно с най-стария лист като P8, а най-младият лист като P1. Етикетът O обозначава върха на изстрела. (Taaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama под CC-BY) Авторите все още не могат да заключат какво точно причинява възрастта на листата да повлияе на тези модели на растеж, въпреки че Сугияма спекулира, че това може да има връзка с промените в транспортната система на ауксин в процеса на развитие на растението.
Такива мистерии биха могли да бъдат решени чрез „натискането и изтеглянето“ между изчислителните модели и лабораторните експерименти, казва Сиера Мартинес, изчислителен биолог, който не е участвал в изследването. Моделът на авторите предоставя вълнуваща стъпка към по-добро разбиране на филотаксиса и оставя място на други ботаници да попълнят празнините с дисекция и анализ на растенията.
„С моделите, въпреки че все още не можем да знаем точния механизъм, най-малко ни дава мощни указания какво да търсим“, казва Мартинес в имейл. „Сега просто трябва да разгледаме по-отблизо молекулните механизми в реалните растения, за да се опитаме да открием какво прогнозира моделът.“
Изглед отгоре надолу на моделите на подреждане на листа във „ориксиращата“ филотаксиса като нови листа (червени полукръгове) се образуват от върха на издънката (централен черен кръг) и растат навън. (Takaaki Yonekura под CC-BY-ND) Екипът на Sugiyama работи, за да усъвършенства още повече своя модел и да го накара да генерира всички известни филотактични модели. Един „загадъчен“ модел на листа, спирала с малък ъгъл на разминаване, все още се избягва от изчислителните прогнози, въпреки че Сугияма смята, че са близо до напукване на листния код.
„Ние не смятаме, че нашето изследване е практически полезно за обществото“, казва Сугияма. „Но се надяваме, че това ще допринесе за разбирането ни за симетричната красота в природата.“
