Neobrazovanom oku može se činiti da biljke rastu prilično impulsivno, nasumično iskaču lišće kako bi stvorile jednu veliku zelenu groznicu. Pogledajte, međutim, bliži pogled i vidjet ćete da se po cijelom prirodnom svijetu pojavljuje nekoliko neobično pravilnih uzoraka, od uravnotežene simetrije izdanaka bambusa do očaravajuće spirale sukulenta.
Zapravo su ti obrasci dovoljno dosljedni da hladna i tvrda matematika može prilično dobro predvidjeti organski rast. Jedna pretpostavka koja je bila središnja za proučavanje filotaksije, odnosno obrasca lišća, jest da lišće štiti njihov osobni prostor. Na temelju ideje da već postojeći listovi imaju inhibicijski utjecaj na nove, odajući signal kako bi spriječili da drugi rastu u blizini, znanstvenici su stvorili modele koji mogu uspješno stvoriti mnoge prirodne dizajne. Vječno fascinantni slijed Fibonacsova, na primjer, pokazuje se u svemu, od rasporeda suncokretovih sjemenki do školjki nautilusa do borovih češera. Trenutačni konsenzus je da su za kretanje hormona rasta auksin i proteini koji ga transportiraju kroz biljku odgovorni za takve obrasce.
Raspored listova s jednim listom po čvoru naziva se alternativna filotaksa, dok se raspored s dva ili više listova po čvoru naziva nazubljeni filotaksis. Najčešći alternativni tipovi su distichous phyllotaxis (bambus) i Fibonaccijeva spiralna filotaxis (sočna spiralna aloja), a uobičajeni vijugavi tipovi su decusat phyllotaxis (bosiljak ili menta) i tricussate phyllotaxis ( Nerium oleander, ponekad poznat i kao dogbane). (Takaaki Yonekura pod CC-BY-ND) Međutim, određeni aranžmani s listovima i dalje potiču popularne modele za rast biljaka, uključujući Douady i Couder jednadžbe (poznati kao DC1 i DC2) koji su dominirali od 1990-ih. Tim koji su predvodili istraživači sa Sveučilišta u Tokiju koji je proučavao grm poznat kao Orixa japonica utvrdio je da ranije jednadžbe nisu mogle stvoriti neobičnu strukturu biljke, pa su odlučili preispitati sam model. Njihov ažurirani model, opisan u novoj studiji PLOS Computational Biology, ne samo da reproducira nekad neuhvatljiv uzorak, već može opisati i druge, uobičajenije aranžmane bolje od prethodnih jednadžbi, kažu autori.
"U većini biljaka filotaktički uzorci imaju simetriju - spiralnu simetriju ili radijalnu simetriju", kaže fiziolog biljke Sveučilišta u Tokiju Munetaka Sugiyama, viši autor nove studije. "Ali u ovoj posebnoj biljci, Orixa japonici, filotaktički uzorak nije simetričan, što je vrlo zanimljivo. Prije više od 10 godina rodila me je ideja da neke promjene inhibicijske moći svakog osnovnog lišća mogu objasniti ovaj osebujni obrazac. "
Botaničari koriste kutove divergencije ili kutove između uzastopnih listova da odrede filotaksiju biljaka. Dok većina obrazaca rasporeda listova drži stalni kut divergencije, grm O. japonica, koji je rodom iz Japana i drugih dijelova istočne Azije, raste lišće u naizmjeničnom nizu od četiri kutova koji se ponavljaju: 180 stupnjeva, 90 stupnjeva, 180 stupnjeva opet, zatim 270 stupnjeva.
Grm Orixa japonice s različitim kutovima divergencije lišća je vidljiv. (Qwert1234 putem Wikicommonsa pod CC BY-SA 4.0) Ovaj obrazac, koji su istraživači nazvali „orijentacijskom“ filotaksijom, nije samo jednokratna anomalija, jer biljke s drugih svojti (poput „cvijeta crvenog vrućeg pokera“ Kniphofia uvaria ili krepa mirta Lagerstroemia indica ) izmjenjuju svoje lišće u istom kompliciran niz. Kako se raspored lista pojavljuje na različitim mjestima na evolucijskom stablu, autori su zaključili da je sličnost nastala iz zajedničkog mehanizma koji je opravdavao daljnje proučavanje.
Nakon ispitivanja Douadijeve i Couderove jednadžbe s različitim parametrima, autori su mogli proizvesti uzorke koji su bili bliski alternativnom rasporedu oriksata, ali nijedna od simuliranih biljaka nije se savršeno podudarala s uzorcima O. japonice koje su rastavljali i proučavali. Tako je tim izgradio novi model dodavanjem druge varijable Douady i Couder jednadžbama: lisna dob. Bivši modeli pretpostavljali su da sposobnost inhibicije lišća s vremenom ostaje ista, ali ta konstanta "nije bio prirodan sa stanovišta biologije", kaže Sugiyama. Umjesto toga, Sugiyama je tim dopustio mogućnost da se jačina tih "zadržavanja" signala s vremenom mijenjala.
Rezultirajući modeli - koje tim naziva proširenim modelima Douady i Couder, EDC1 i EDC2 - uspjeli su, pomoću kompjuteriziranog rasta, ponovno stvoriti zamršene rasporede listova O. japonice . Pored ovog podviga, proširene jednadžbe također su proizvele sve ostale uobičajene uzorke lišća i preciznije predviđale prirodne frekvencije ovih sorti od prethodnih modela. Osobito u slučaju biljaka sa uzorkom spirale, novi model EDC2 predviđao je "super-dominaciju" Fibonaccijeve spirale u usporedbi s drugim uređenjima, dok prijašnji modeli nisu uspjeli objasniti zašto se čini da se ovaj poseban oblik pojavljuje svuda u prirodi.
„Naš model, EDC2, može stvoriti orijentacijske uzorke uz sve glavne vrste filotaksije. Ovo je očito prednost u odnosu na prethodni model ", kaže Sugiyama. "EDC2 se također bolje uklapa u prirodne pojave različitih obrazaca."
Ostavlja na grani Orixa japonice (gore lijevo) i shematski dijagram orijentacijske filotaksije (desno). Orijentacijski uzorak prikazuje osebujnu promjenu kuta između lišća u četiri ciklusa. Skenirajuća slika elektronskog mikroskopa (u sredini i dolje lijevo) prikazuje zimsku pupoljku O. japonice, gdje lišće prvo počinje rasti. Primordijalni listovi su označeni sekvencijalno najstarijim listom kao P8, a najmlađi list kao P1. Oznaka O označava vrh vrha. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama pod CC-BY) Autori još uvijek ne mogu zaključiti što točno uzrokuje da lišće utječe na ove obrasce rasta, iako Sugiyama nagađa da bi to moglo imati veze s promjenama u sustavu transporta auksina tijekom razvoja biljke.
Takve misterije bi se mogle riješiti pritiskom i potezanjem između računalnih modela i laboratorijskih eksperimenata, kaže Ciera Martinez, računalna biologinja koja nije bila uključena u studiju. Autoričin model pruža uzbudljiv korak ka boljem razumijevanju filotaksije i ostavlja prostora drugim botaničarima da popunu praznine disekcijom i analizom biljaka.
"S modelima, iako još uvijek ne znamo točan mehanizam, barem nam se daju snažni tragovi o tome što tražiti", kaže Martinez u e-poruci. "Sada moramo samo pogledati molekularne mehanizme u stvarnim postrojenjima kako bismo pokušali otkriti što model predviđa."
Pogled obrazaca rasporeda lista odozdo prema dolje u „oriksiranoj“ filotaksi kao novi listovi (crveni polukrugovi) formiraju se iz vrha izbojka (središnji crni krug) i rastu prema van. (Takaaki Yonekura pod CC-BY-ND) Sugiyamin tim radi na još većem usavršavanju svog modela i dobivanju na njemu generiranja svih poznatih filotaktičkih obrazaca. Jedan "tajanstveni" uzorak lista, spirala s malim kutom divergencije, još uvijek izbjegava računalno predviđanje, iako Sugiyama misli da su blizu pucanja lisnatog koda.
"Ne mislimo da je naša studija praktično korisna za društvo", kaže Sugiyama. "Ali nadamo se da će doprinijeti našem razumijevanju simetrične ljepote u prirodi."
