Pre netrénované oko sa môže zdať, že rastliny rastú skôr impulzívne, a náhodne vytrhávajú listy, aby vytvorili jednu veľkú zelenú farbu. Pozrime sa však bližšie a zistíte, že po celom prírodnom svete sa objaví niekoľko podivne pravidelných vzorov, od vyváženej symetrie bambusových výhonkov až po očarujúce špirály sukulentov.
V skutočnosti sú tieto vzorce dostatočne konzistentné, aby chladný, tvrdý matematický postup dokázal dosť dobre predpovedať organický rast. Jedným z predpokladov, ktoré boli ústredné pre štúdium fylotaxie alebo listových vzorov, je to, že listy chránia svoj osobný priestor. Vedci na základe myšlienky, že už existujúce listy majú inhibičný vplyv na nové, vydávajú signál, aby zabránili ostatným v pestovaní v okolí, vytvorili modely, ktoré dokážu úspešne obnoviť mnohé spoločné vzory prírody. Napríklad fascinujúca sekvencia Fibonacci sa prejavuje vo všetkom, od usporiadania slnečnicových semien po šupky nautilus po šišky borovíc. Súčasný konsenzus je taký, že za tieto vzorce sú zodpovedné pohyby rastového hormónu auxínu a proteínov, ktoré ho transportujú cez rastlinu.
Usporiadanie listov s jedným listom na uzle sa nazýva alternatívna fylotaxis, zatiaľ čo usporiadanie s dvoma alebo viacerými listami na uzle sa nazýva whorled fylotaxis. Bežnými alternatívnymi typmi sú distichous fylotaxis (bambus) a Fibonacciho špirála fylotaxis (sukulentná špirála aloe). Bežnými druhmi whorled sú decussate fylotaxis (bazalka alebo mäta) a tricussate fylotaxis ( Nerium oleander, niekedy známy ako dogbane). (Takaaki Yonekura pod CC-BY-ND) Určité usporiadania listov však naďalej púšťajú populárne modely rastu rastlín, vrátane rovníc Douady a Couder (známych ako DC1 a DC2), ktoré dominujú od 90. rokov. Tím vedený výskumnými pracovníkmi univerzity v Tokiu, ktorý študoval krík známy ako Orixa japonica, zistil, že staršie rovnice nedokážu obnoviť neobvyklú štruktúru rastliny, a preto sa rozhodli prehodnotiť samotný model. Ich aktualizovaný model, opísaný v novej štúdii v PLOS Computational Biology, nielen reprodukuje vzorec, ktorý bol raz nepolapiteľný, ale môže tiež opísať iné, bežnejšie usporiadania lepšie ako predchádzajúce rovnice.
„Vo väčšine rastlín majú fylotaktické vzorce symetriu - špirálovú symetriu alebo radiálnu symetriu, “ hovorí fyziológ z Tokijskej univerzity v Tokiu Munetaka Sugiyama, hlavný autor novej štúdie. „V tejto špeciálnej rastline, Orixa japonica, nie je fylotaktický vzorec symetrický, čo je veľmi zaujímavé. Pred viac ako 10 rokmi som prišiel na myšlienku, že niektoré zvláštne zmeny v inhibičnej sile každého listového primordia môžu tento zvláštny obrazec vysvetliť. “
Botanici používajú divergenčné uhly alebo uhly medzi po sebe nasledujúcimi listami na definovanie fylotaxie rastlín. Zatiaľ čo väčšina vzorov usporiadania listov udržuje konštantný uhol divergencie, krík O. japonica, ktorý je pôvodom z Japonska a ďalších častí východnej Ázie, pestuje listy v striedajúcich sa sériách štyroch opakujúcich sa uhlov: znovu 180 stupňov, 90 stupňov a 180 stupňov, potom 270 stupňov.
Krík Orixa japonica s rôznymi uhlami divergencie listov. (Qwert1234 prostredníctvom Wikicommons v rámci CC BY-SA 4.0) Tento model, ktorý vedci označovali ako „orixátová“ fylotaxis, nie je iba jednorazovou anomáliou, keďže rastliny z iných taxónov (ako napríklad kvet „red-hot poker“ Kniphofia uvaria alebo krepový myrta Lagerstroemia indica ) striedajú svoje listy v rovnakom komplikovaná sekvencia. Pretože usporiadanie listov sa objavuje na rôznych miestach vývojového stromu, autori dospeli k záveru, že podobnosť pochádza zo spoločného mechanizmu, ktorý si vyžaduje ďalšie štúdium.
Po testovaní Douadyho a Couderovej rovnice s rôznymi parametrami mohli autori vytvoriť vzory, ktoré boli blízko striedavému usporiadaniu orixátov, ale žiadna zo simulovaných rastlín sa dokonale nezhodovala so vzorkami O. japonica, ktoré rozrezali a študovali. Tím vytvoril nový model pridaním ďalšej premennej do Douadyho a Couderovej rovnice: vek listov. Bývalé modely predpokladali, že inhibičná sila listov zostala v priebehu času rovnaká, ale táto konštanta „nebola z hľadiska biológie prirodzená, “ hovorí Sugiyama. Namiesto toho tím Sugiyamy povolil možnosť, že sila týchto signálov „drž sa ďalej“ sa časom zmenila.
Výsledné modely, na ktoré sa tím odvoláva ako na rozšírené modely Douady a Couder, EDC1 a EDC2, dokázali prostredníctvom počítačového rastu znovu vytvoriť zložité usporiadanie listov O. japonica . Okrem tohto pôsobenia rozšírené rovnice tiež produkovali všetky ostatné bežné vzorce lístia a predpovedali prirodzené frekvencie týchto odrôd presnejšie ako predchádzajúce modely. Najmä v prípade rastlín so vzorom špirály nový model EDC2 predpovedal „super dominanciu“ špirály Fibonacci v porovnaní s inými usporiadaniami, zatiaľ čo predchádzajúce modely nevysvetľovali, prečo sa tento konkrétny tvar javí všade v prírode.
„Náš model, EDC2, môže okrem všetkých hlavných typov fylotaxie generovať vzory orixátov. To je jednoznačne výhoda oproti predchádzajúcemu modelu, “hovorí Sugiyama. „EDC2 sa tiež lepšie hodí k prirodzenému výskytu rôznych vzorcov.“
Listy na vetve Orixa japonica (vľavo hore) a schematický diagram orixátovej fylotaxie (vpravo). Vzor orixátu zobrazuje zvláštnu zmenu uhlu medzi listami v štyroch cykloch. Obrázok skenovacieho elektrónového mikroskopu (v strede a vľavo dole) ukazuje zimný púčik O. japonica, kde listy začínajú najprv rásť. Praveké listy sa označia postupne najstarším listom ako P8 a najmladším listom ako P1. Štítok O označuje vrchol výhonku. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama v rámci CC-BY) Autori zatiaľ nemôžu dospieť k záveru, čo presne spôsobuje, že vek listov ovplyvňuje tieto rastové vzorce, hoci Sugiyama špekuluje, že to môže súvisieť so zmenami v systéme transportu auxínu v priebehu vývoja rastliny.
Takéto záhady by sa dali vyriešiť „tlačením a ťahom“ medzi výpočtovými modelmi a laboratórnymi experimentmi, hovorí Ciera Martinez, výpočtová biológka, ktorá sa štúdie nezúčastnila. Autorský model poskytuje vzrušujúci krok k lepšiemu porozumeniu fylotaxie a ponecháva priestor pre ostatných botanikov, aby vyplnili medzery pitvou a analýzou rastlín.
„Pri modeloch, aj keď možno ešte nevieme presný mechanizmus, dostávame aspoň silné informácie o tom, čo hľadať, “ hovorí Martinez v e-maile. "Teraz sa musíme len bližšie pozrieť na molekulárne mechanizmy v skutočných rastlinách, aby sme sa pokúsili zistiť, čo model predpovedá."
Pohľad zhora nadol na usporiadanie listov v "orixovanej" fylotaxite ako nových listoch (červené polkruhy) v tvare výhonku (stredný čierny kruh) a rastúcich smerom von (Takaaki Yonekura pod CC-BY-ND). Sugiyamov tím pracuje na zdokonalení svojho modelu a jeho vytvorení tak, aby vytvoril všetky známe fylotaktické vzorce. Jeden „záhadný“ listový vzor, špirála s malým uhlom divergencie, sa stále vyhýba výpočtovej predikcii, hoci Sugiyama si myslí, že je blízko k roztrhnutiu listového kódu.
"Nemyslíme si, že naša štúdia je pre spoločnosť prakticky užitočná, " hovorí Sugiyama. "Dúfame však, že to prispeje k nášmu pochopeniu symetrickej krásy v prírode."
