Spre ochiul neîngrădit, plantele pot părea să crească destul de impulsiv, apărând frunze la întâmplare pentru a crea o mare săritură verde. Totuși, aruncați o privire mai atentă și veți descoperi că câteva modele curios obișnuite apar în toată lumea naturală, de la simetria echilibrată a lăstarilor de bambus și până la fascinantele spirale ale suculentelor.
De fapt, aceste tipare sunt suficient de consistente pentru că matematica rece și tare poate prezice o creștere organică destul de bine. O presupunere care a fost centrală în studiul fitotoxiei sau modelelor frunzelor este că frunzele își protejează spațiul personal. Pe baza ideii că frunzele deja existente au o influență inhibitoare asupra celor noi, dând un semnal pentru a împiedica alții să crească în apropiere, oamenii de știință au creat modele care pot recrea cu succes multe dintre desenele comune ale naturii. Secvența Fibonacci mereu fascinantă, de exemplu, apare în toate, de la aranjamentele de semințe de floarea soarelui până la scoici de nautilus până la conuri de pin. Consensul actual este că mișcările hormonului de creștere auxină și proteinele care îl transportă în întreaga plantă sunt responsabile de astfel de tipare.
Dispunerea frunzelor cu o frunză per nod este denumită fitotoxie alternativă, în timp ce aranjarea cu două sau mai multe frunze pe nod se numește fitotoxie. Tipurile alternative obișnuite sunt fitotoxie distichă (bambus) și Fibonacci spirală phyllotaxis (suculent aloe spirală), iar tipurile obișnuite comune sunt phyllotaxis decussate (busuioc sau mentă) și fitotoxie tricussată ( Nerium oleander, cunoscută uneori sub denumirea de dogbane). (Takaaki Yonekura sub CC-BY-ND) Cu toate acestea, anumite aranjamente ale frunzelor continuă să amâne modele populare pentru creșterea plantelor, inclusiv ecuațiile Douady și Couder (cunoscute sub numele de DC1 și DC2), care au dominat încă din anii ’90. O echipă condusă de cercetătorii Universității din Tokyo care studiază un arbust cunoscut sub numele de Orixa japonica a descoperit că ecuațiile anterioare nu puteau reface structura neobișnuită a plantei, așa că au decis să regândească modelul în sine. Modelul lor actualizat, descris într-un nou studiu în PLOS Biology Computational, nu numai că reproduce modelul odată evaziv, dar poate descrie și alte aranjamente mai comune mai bune decât ecuațiile anterioare, spun autorii.
„În majoritatea plantelor, tiparele fitotactice au simetrie - simetrie spirală sau simetrie radială”, spune fiziologul plantelor Universității din Tokyo, Munetaka Sugiyama, autorul principal al noului studiu. „Dar în această plantă specială, Orixa japonica, modelul fitotactic nu este simetric, ceea ce este foarte interesant. În urmă cu mai bine de 10 ani, mi-a venit o idee că unele modificări ale puterii inhibitoare a fiecărui primordiu de frunze pot explica acest tipar particular. "
Botaniștii folosesc unghiurile de divergență sau unghiurile între frunzele consecutive pentru a defini fitotoxia unei plante. În timp ce majoritatea modelelor de aranjare a frunzelor păstrează un unghi de divergență constantă, arbustul O. japonica, care este originar din Japonia și din alte părți din Asia de Est, crește frunze într-o serie alternativă de patru unghiuri repetate: 180 grade, 90 grade, 180 grade din nou, apoi 270 de grade.
Un arbust Orixa japonica cu diferitele unghiuri de divergență ale frunzelor vizibile. (Qwert1234 prin Wikicommons sub CC BY-SA 4.0) Acest tipar, pe care cercetătorii l-au numit fitoteza „creați”, nu este doar o anomalie în timp, deoarece plantele din alți taxoni (cum ar fi floarea „poker roșu”, Kniphofia uvaria, sau mirtul crep Lagerstroemia indica ) își alternează frunzele în aceeași secvență complicată. Deoarece aranjamentul frunzelor apare în diferite locuri de pe arborele evoluționist, autorii au concluzionat similitudinea provenită dintr-un mecanism comun care a justificat studiul suplimentar.
După testarea ecuațiilor Douady și Couder cu parametri diferiți, autorii au putut produce tipare apropiate aranjamentului alternativ de creație, dar niciuna dintre plantele simulate nu s-a potrivit perfect cu probele O. japonica pe care le-au disecat și studiat. Deci echipa a construit un nou model adăugând o altă variabilă la ecuațiile Douady și Couder: vârsta frunzelor. Fostele modele au presupus că puterea de inhibare a frunzelor a rămas aceeași în timp, dar această constantă nu a fost „naturală din punctul de vedere al biologiei”, spune Sugiyama. În schimb, echipa lui Sugiyama a permis posibilitatea ca puterea acestor semnale „de păstrare” să se schimbe în timp.
Modelele rezultate - la care echipa se referă la modelele Douady și Couder extinse, EDC1 și EDC2 - au reușit să recreeze, prin creșterea computerizată, aranjamentele complicate ale frunzelor din O. japonica . Dincolo de această problemă, ecuațiile extinse au produs și toate celelalte modele comune de frunziș și au prezis frecvențele naturale ale acestor soiuri mai exact decât modelele anterioare. Mai ales în cazul plantelor cu spirală, noul model EDC2 a prezis „super-dominanța” spiralei Fibonacci în comparație cu alte aranjamente, în timp ce modelele anterioare nu au reușit să explice de ce această formă particulară pare să apară peste tot în natură.
„Modelul nostru, EDC2, poate genera tipare de creație pe lângă toate tipurile majore de fitotoxie. Acesta este clar un avantaj față de modelul anterior ”, spune Sugiyama. „EDC2 se potrivește mai bine la apariția naturală a diferitelor modele.”
Frunze pe o ramură Orixa japonica (stânga sus) și o diagramă schematică a fitotexiei originaleate (dreapta). Modelul originalate afișează o schimbare particulară a unghiului dintre frunze cu patru cicluri. O imagine a microscopului electronic de scanare (centru și jos stânga) arată mugurele de iarnă din O. japonica, unde frunzele încep să crească mai întâi. Frunzele primordiale sunt etichetate secvențial cu cea mai veche frunză ca P8 și cea mai tânără frunză ca P1. Eticheta O marchează vârful de tragere. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama sub CC-BY) Autorii nu pot încă să concluzioneze ceea ce determină ca vârsta frunzelor să afecteze aceste tipare de creștere, deși Sugiyama speculează că ar putea avea legătură cu modificările aduse sistemului de transport pe parcursul dezvoltării unei plante.
Astfel de mistere ar putea fi rezolvate prin „apăsarea și tragerea” între modelele de calcul și experimentele de laborator, spune Ciera Martinez, un biolog computațional care nu a fost implicat în studiu. Modelul autorilor oferă un pas interesant către o mai bună înțelegere a fitotoxiei și lasă loc celorlalți botanici pentru a completa golurile cu disecția și analiza plantelor.
„Cu modelele, chiar dacă nu am putea cunoaște mecanismul exact, ni se oferă cel puțin indicii puternice despre ce să căutăm”, spune Martinez într-un e-mail. „Acum trebuie doar să analizăm mai atent mecanismele moleculare din plantele reale pentru a încerca să descoperim ce prezice modelul.”
O vedere de sus în jos a modelelor de aranjare a frunzelor în fitotexia „creați” pe măsură ce frunzele noi (semicercuri roșii) se formează din vârful de tragere (cercul negru central) și cresc spre exterior. (Takaaki Yonekura sub CC-BY-ND) Echipa lui Sugiyama lucrează pentru a-și perfecționa modelul și mai mult și pentru a-l determina să genereze toate tiparele phyllotactic cunoscute. Un tipar de frunze „misterios”, o spirală cu un unghi minuscul de divergență, încă se sustrage predicției de calcul, deși Sugiyama crede că sunt aproape de a crăpa codul frunzelor.
„Nu credem că studiul nostru este practic util societății”, spune Sugiyama. „Sperăm însă că va contribui la înțelegerea frumuseții simetrice din natură.”
