Необычное японское растение заставило пересмотреть уравнение для моделирования паттернов расположения листьев
Расположение листьев на растении — практический способ идентификации вида. Однако детали того, как растения контролируют это расположение, оставались загадкой. Японский вид с особым паттерном расположения листьев недавно дал неожиданное представление о том, как почти все растения контролируют свою листовую мозаику.
«Мы разработали новую модель, чтобы объяснить один особый паттерн расположения листьев. Но на самом деле она точнее отражает не только природу одного конкретного растения, но и всё разнообразие почти всех паттернов, наблюдаемых в природе», — сказал доцент Мунетака Сугияма из Ботанического сада Коисикава Токийского университета.
Всё в углах
Чтобы определить тип листорасположения, ботаники измеряют угол между листьями, двигаясь по стеблю от самого старого к самому молодому листу.
Распространённые паттерны симметричны: листья расположены через регулярные интервалы в 90 градусов (базилик или мята), 180 градусов (злаки, например бамбук) или по спиралям с углом Фибоначчи (например, иголки на некоторых шаровидных кактусах или суккулент Aloe polyphylla).
Особый паттерн, который изучала команда Сугиямы, называется «ориксат» в честь вида Orixa japonica — кустарника, произрастающего в Японии, Китае и на Корейском полуострове.
Углы между листьями O. japonica составляют 180°, 90°, 180°, 270°, после чего следующий лист сбрасывает паттерн к 180°.
Математика растения
Команда начала исследование с тщательной проверки существующего математического уравнения, используемого для моделирования листорасположения.
С 1996 года листорасположение моделируется уравнением, известным как DC2 (Douady and Couder 2). Оно может генерировать многие, но не все паттерны, наблюдаемые в природе, путём изменения значений переменных, связанных с физиологией растения.
У DC2 есть два недостатка:
- Какие бы значения ни подставлялись в уравнение DC2, определённые редкие паттерны никогда не рассчитываются.
- Спираль Фибоначчи — безусловно самый распространённый спиральный паттерн в природе, но в расчётах DC2 он лишь ненамного чаще других спиральных паттернов.
Особый паттерн
По крайней мере четыре неродственных вида растений обладают необычным ориксатным паттерном. Исследователи предположили, что этот паттерн должен быть возможен с использованием фундаментального генетического и клеточного аппарата, общего для всех растений, поскольку альтернатива — независимая эволюция одного и того же необычного паттерна четыре или более раз — казалась маловероятной.
Одно из фундаментальных предположений в уравнении DC2 заключается в том, что листья испускают постоянный сигнал, подавляющий рост других листьев поблизости, и что сигнал ослабевает с расстоянием. Предполагается, что сигнал связан с гормоном ауксином, но точная физиология неизвестна.
Редкие паттерны и общие правила
«Мы изменили это фундаментальное предположение: ингибирующая сила не постоянна, а меняется с возрастом. Мы протестировали как увеличение, так и уменьшение ингибирующей силы с возрастом и увидели, что особый ориксатный паттерн рассчитывается, когда более старые листья оказывают более сильное ингибирующее действие», — сказал Сугияма.
Это понимание того, что сила ингибирующего сигнала меняется с возрастом, может быть использовано в будущих исследованиях генетики или физиологии развития растений.
Исследователи называют эту новую версию уравнения EDC2 (Expanded Douady and Couder 2).
Аспирант Такааки Йонэкура, первый автор статьи, разработал компьютерные симуляции, которые генерировали тысячи паттернов, рассчитанных EDC2, и подсчитывали частоту их появления. Паттерны, чаще наблюдаемые в природе, также чаще рассчитывались EDC2, что подтверждает точность идей, заложенных в формулу.
«Есть и другие очень необычные паттерны листорасположения, которые наша новая формула всё ещё не объясняет. Мы сейчас пытаемся разработать новую концепцию, которая сможет объяснить все известные паттерны, а не почти все», — сказал Сугияма.
Как определить паттерн самостоятельно
Эксперты рекомендуют смотреть на группу относительно молодых листьев при определении паттерна листорасположения (филлотаксиса). Старые листья могли развернуться (из-за ветра или солнца), что затрудняет определение их истинного угла крепления к стеблю.
Представьте стебль как круг. Начните с определения точек, где к нему крепятся самый старый и второй по возрасту лист. Угол между ними — первый «угол дивергенции». Продолжайте определять углы дивергенции между всё более молодыми листьями на стебле. Паттерн этих углов и есть тип листорасположения.
Распространённые паттерны:
- Дистихное (регулярные 180°, бамбук)
- Спираль Фибоначчи (регулярные 137.5°, суккулент Graptopetalum paraguayense)
- Накрест супротивное (регулярные 90°, базилик)
- Трижды мутовчатое (регулярные 60°, Nerium oleander, олеандр)