Στο μη εκπαιδευμένο μάτι, τα φυτά μπορεί να φαίνονται να αναπτύσσονται μάλλον παρορμητικά, ξεδιπλώνοντας τα φύλλα τυχαία για να δημιουργήσουν ένα μεγάλο πράσινο μπέρδεμα. Ρίξτε μια πιο προσεκτική ματιά, όμως, και θα διαπιστώσετε ότι μερικά περίεργα μοτίβα αναδύονται σε όλο τον φυσικό κόσμο, από την ισορροπημένη συμμετρία των μπαμπού βλαστών μέχρι τις μαγευτικές σπείρες των χυμών.
Στην πραγματικότητα, αυτά τα πρότυπα είναι αρκετά συνεπή ώστε το κρύο, σκληρό μαθηματικό μπορεί να προβλέψει την οργανική ανάπτυξη αρκετά καλά. Μια παραδοχή που έχει κεντρικό ρόλο στη μελέτη της φυλογραξίας ή των μοτίβων φύλλων είναι ότι προστατεύει τον προσωπικό τους χώρο. Με βάση την ιδέα ότι τα ήδη υπάρχοντα φύλλα έχουν ανασταλτική επίδραση στις νέες, αποδίδοντας ένα σήμα για να εμποδίσουν άλλους να αναπτυχθούν κοντά, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει μοντέλα που μπορούν να αναδημιουργήσουν με επιτυχία πολλά από τα κοινά σχέδια της φύσης. Η αληθινά συναρπαστική ακολουθία Fibonacci, για παράδειγμα, εμφανίζεται σε όλα, από τις ρυθμίσεις των ηλιόσπορων μέχρι τα κελύφη ναυτίλου σε κώνους πεύκου. Η τρέχουσα συναίνεση είναι ότι οι κινήσεις της αυξητικής ορμόνης αυξίνης και των πρωτεϊνών που τη μεταφέρουν σε ένα φυτό είναι υπεύθυνες για τέτοια μοτίβα.
Η διευθέτηση του φύλλου με ένα φύλλο ανά κόμβο ονομάζεται εναλλακτική φυλλοτοξία, ενώ η διάταξη με δύο ή περισσότερα φύλλα ανά κόμβο ονομάζεται περιστροφική φυλλοτοξέωση. Συνηθισμένοι τύποι εναλλαγής είναι η διάχυτη φυλοτοξίνη (μπαμπού) και η σπειροειδής φυλλοτοξίνη Fibonacci (η χυμώδης σπειροειδής αλόη), ενώ οι συνηθισμένοι τύποι είναι η φυλλοτοξίνη (βασιλικός ή μέντα) και η τρυγική φυλλοτοξία ( Nerium oleander ). (Takaaki Yonekura υπό CC-BY-ND) Ωστόσο, ορισμένες διευθετήσεις φύλλων συνεχίζουν να χάνουν δημοφιλή μοντέλα ανάπτυξης φυτών, συμπεριλαμβανομένων των εξισώσεων Douady και Couder (γνωστές ως DC1 και DC2) που κυριαρχούν από τη δεκαετία του 1990. Μια ομάδα με επικεφαλής τον ερευνητή του Πανεπιστημίου του Τόκιο που μελέτησε ένα θάμνο γνωστό ως Orixa japonica διαπίστωσε ότι οι προηγούμενες εξισώσεις δεν μπορούσαν να αναδημιουργήσουν την ασυνήθιστη δομή του φυτού, έτσι αποφάσισαν να επανεξετάσουν το ίδιο το μοντέλο. Το ενημερωμένο μοντέλο τους, που περιγράφεται σε μια νέα μελέτη στην Υπολογιστική Βιολογία του PLOS, δεν αναπαράγει μόνο το μονόπλευρο μοτίβο, αλλά μπορεί επίσης να περιγράψει άλλες, πιο κοινές ρυθμίσεις καλύτερα από τις προηγούμενες εξισώσεις, λένε οι συγγραφείς.
"Στα περισσότερα φυτά, τα φυλλοτοτικά μοτίβα έχουν συμμετρία-σπειροειδή συμμετρία ή ακτινική συμμετρία", λέει ο πανεπιστημίου του Τόκιο φυτολόγος φυσιολόγος Munetaka Sugiyama, ανώτερος συγγραφέας της νέας μελέτης. "Αλλά σε αυτό το ειδικό φυτό, Orixa japonica, το φυλλοτακτικό μοτίβο δεν είναι συμμετρικό, το οποίο είναι πολύ ενδιαφέρον. Πριν από περισσότερα από 10 χρόνια, μου έρχεται μια ιδέα ότι κάποιες αλλαγές στην ανασταλτική δύναμη κάθε πρωτεύοντος φύλλου μπορεί να εξηγήσουν αυτό το περίεργο πρότυπο. "
Οι βοτανολόγοι χρησιμοποιούν τις γωνίες απόκλισης ή τις γωνίες μεταξύ διαδοχικών φύλλων για να καθορίσουν τη φυλοτοξική του φυτού. Ενώ τα περισσότερα σχέδια διαμόρφωσης φύλλων διατηρούν μια σταθερή γωνία απόκλισης, ο θάμνος O. japonica, που είναι εγγενής στην Ιαπωνία και σε άλλα μέρη της Ανατολικής Ασίας, αυξάνει τα φύλλα σε μία εναλλασσόμενη σειρά τεσσάρων επαναλαμβανόμενων γωνιών: 180 μοίρες, 90 μοίρες, τότε 270 μοίρες.
Ένας θάμνος Orixa japonica με τις διάφορες γωνίες απόκλισης των ορατών φύλλων. (Qwert1234 μέσω του Wikicommons υπό CC BY-SA 4.0) Αυτό το μοτίβο, το οποίο οι ερευνητές ονόμαζαν "orixate" phyllotaxis, δεν είναι απλώς μία μοναδική ανωμαλία, καθώς τα φυτά από άλλα taxa (όπως το λουλούδι "κόκκινο καυτό πόκερ" Kniphofia uvaria ή η κρέπα μυρτιά Lagerstroemia indica ) εναλλάσσουν τα φύλλα τους στο ίδιο περίπλοκη ακολουθία. Επειδή η διάταξη φύλλων εμφανίζεται σε διαφορετικές θέσεις στο εξελικτικό δέντρο, οι συγγραφείς κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η ομοιότητα προέρχεται από έναν κοινό μηχανισμό που δικαιολογεί περαιτέρω μελέτη.
Αφού δοκιμάστηκαν οι εξισώσεις Douady και Couder με διαφορετικές παραμέτρους, οι συγγραφείς μπορούσαν να παράγουν σχέδια που ήταν κοντά στην εναλλασσόμενη διάταξη orixate, αλλά κανένα από τα προσομοιωμένα φυτά δεν ταιριάζει απόλυτα με τα δείγματα του O. japonica που έκοψαν και μελέτησαν. Έτσι, η ομάδα δημιούργησε ένα νέο μοντέλο προσθέτοντας μια άλλη μεταβλητή στις εξισώσεις Douady και Couder: ηλικία φύλλων. Πρώην μοντέλα που υποτίθεται ότι η ανασταλτική ισχύς των φύλλων παρέμεινε η ίδια με την πάροδο του χρόνου, αλλά αυτή η σταθερά ήταν «μη φυσική από την άποψη της βιολογίας», λέει ο Sugiyama. Αντ 'αυτού, η ομάδα του Sugiyama επέτρεψε την πιθανότητα ότι η ισχύς αυτών των σημάτων «διατήρησης μακριά» άλλαξε με την πάροδο του χρόνου.
Τα μοντέλα που προκύπτουν - τα οποία η ομάδα αναφέρεται ως εκτεταμένα μοντέλα Douady και Couder, EDC1 και EDC2 - κατάφεραν να αναδημιουργήσουν, μέσω της ηλεκτρονικής ανάπτυξης, τις περίπλοκες διευθετήσεις φύλλων του O. japonica . Πέρα από αυτό, οι διευρυμένες εξισώσεις παρήγαγαν επίσης όλα τα άλλα κοινά μοτίβα φύλλων και προέβλεπαν τις φυσικές συχνότητες αυτών των ποικιλιών με μεγαλύτερη ακρίβεια από τα προηγούμενα μοντέλα. Ιδιαίτερα στην περίπτωση σπειροειδών φυτών, το νέο μοντέλο EDC2 προέβλεψε την "υπερ-κυριαρχία" του σπιράλ Fibonacci σε σύγκριση με άλλες ρυθμίσεις, ενώ προηγούμενα μοντέλα απέτυχαν να εξηγήσουν γιατί το συγκεκριμένο σχήμα φαίνεται να εμφανίζεται παντού στη φύση.
"Το πρότυπό μας, το EDC2, μπορεί να δημιουργήσει συνηθισμένα σχέδια εκτός από όλους τους βασικούς τύπους φυλλοτοξέων. Αυτό είναι σαφώς ένα πλεονέκτημα σε σχέση με το προηγούμενο μοντέλο ", λέει ο Sugiyama. "Το EDC2 ταιριάζει επίσης καλύτερα στη φυσική εμφάνιση διαφορετικών μοτίβων".
Φυτεύει σε κλάδο Orixa japonica (επάνω αριστερά) και ένα σχηματικό διάγραμμα της φυλλοκέτας (δεξιά). Το μοτίβο orixate εμφανίζει μια ιδιαίτερη αλλαγή τεσσάρων κύκλων της γωνίας μεταξύ των φύλλων. Μια εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (στο κέντρο και στο κάτω αριστερά) δείχνει το χειμερινό οφθαλμό του O. japonica, όπου τα φύλλα αρχίζουν να μεγαλώνουν. Τα αρχέγονα φύλλα επισημαίνονται διαδοχικά με το παλαιότερο φύλλο ως Ρ8 και το νεότερο φύλλο ως Ρ1. Η ετικέτα O σηματοδοτεί την κορυφή της βολής. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama υπό CC-BY) Οι συγγραφείς δεν μπορούν ακόμη να συμπεράνουν τι ακριβώς προκαλεί την ηλικία των φύλλων να επηρεάσει αυτά τα μοτίβα ανάπτυξης, αν και ο Sugiyama υποθέτει ότι μπορεί να έχει να κάνει με αλλαγές στο σύστημα μεταφοράς auxin κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης ενός φυτού.
Τέτοια μυστήρια θα μπορούσαν να λυθούν με την "ώθηση και έλξη" μεταξύ υπολογιστικών μοντέλων και εργαστηριακών πειραμάτων, λέει η Ciera Martinez, υπολογιστική βιολόγος που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Το μοντέλο των συγγραφέων παρέχει ένα συναρπαστικό βήμα προς την καλύτερη κατανόηση της φυλλοτοξίας και αφήνει περιθώριο για άλλους βοτανολόγους να γεμίσουν τα κενά με ανατομή φυτών και ανάλυση.
«Με μοντέλα, αν και δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ακόμα τον ακριβή μηχανισμό, δίνουμε τουλάχιστον ισχυρές ενδείξεις για το τι να αναζητήσουμε», λέει ο Martinez σε ένα ηλεκτρονικό μήνυμα. «Τώρα πρέπει να κοιτάξουμε πιο κοντά στους μοριακούς μηχανισμούς σε πραγματικά φυτά για να προσπαθήσουμε να ανακαλύψουμε τι προβλέπει το μοντέλο».
Μια κάτοψη προς τα πάνω των σχημάτων διευθέτησης των φύλλων στην φυλλοτοξία "orixate" ως νέα φύλλα (κόκκινα ημικύκλια) σχηματίζονται από την κορυφή του πυροβολισμού (κεντρικός μαύρος κύκλος) και αναπτύσσονται προς τα έξω (Takaaki Yonekura υπό CC-BY-ND) Η ομάδα του Sugiyama προσπαθεί να βελτιώσει ακόμη περισσότερο το πρότυπό του και να το καταφέρει να δημιουργήσει όλα τα γνωστά φυλλοτοκτικά σχέδια. Ένα "μυστηριώδες" μοτίβο φύλλων, μια σπείρα με μια μικρή γωνία απόκλισης, εξακολουθεί να αποφεύγει την υπολογιστική πρόβλεψη, αν και ο Sugiyama σκέφτεται ότι είναι κοντά στην ράγισμα του φυλλώδους κώδικα.
"Δεν πιστεύουμε ότι η μελέτη μας είναι πρακτικά χρήσιμη για την κοινωνία", λέει ο Sugiyama. «Αλλά ελπίζουμε ότι θα συμβάλει στην κατανόηση της συμμετρικής ομορφιάς στη φύση».
