Кімнатна рослина розкрила таємницю формування листкових жилок

Звичайна кімнатна рослина приховує геометричний візерунок, який може пояснити механізм формування деяких листкових жилок. Дослідники виявили, що листки китайської грошової рослини демонструють геометричний патерн, відомий як діаграма Вороного. Про це повідомляється у статті, опублікованій 12 травня у журналі Nature Communications.

Цей візерунок може формуватися під час розвитку листка, коли хвилі рослинного гормону поширюються від крихітних пор, що виділяють воду, і зустрічаються одна з одною. За словами науковців, подібний механізм може також формувати патерни жилок в інших рослинах.

Лорен Сак, біолог-ботанік з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, який не брав участі у дослідженні, прокоментував відкриття: «Це прекрасне нове розширення принципу, що жилки оптимізуються за багатьма функціями і мають нам так багато розповісти».

Візерунок був виявлений, коли Елайджа Блум, тоді ще учень старшої школи та стажер у Лабораторії Колд-Спрінг-Харбор у Нью-Йорку, помітив захоплюючі листки рослини, доглядаючи за нею для своєї сестри. Листки були вкриті порами для виведення води, які називаються гідатодами, кожна з яких була огороджена жилками, утворюючи мозаїку. Блум, який зараз навчається у Нью-Йоркському університеті, приніс рослину своєму керівнику, спеціалісту з комп'ютерних наук Сакету Навлаха.

«Він показав мені рослину і сказав: „Подивіться, жилки тут виглядають досить цікаво“», розповідає Навлаха. «І ми підняли її до світла і побачили ту канонічну діаграму Вороного».

У діаграмі Вороного поверхня поділяється навколо набору точок таким чином, що кожна ділянка у зоні знаходиться ближче до точки цієї зони, ніж до будь-якої іншої. Міські планувальники використовують ту саму ідею для картування служб, таких як пожежні департаменти, призначаючи будинки до найближчої станції.

Візерунки, подібні до діаграми Вороного, з'являються в інших місцях у природі, включаючи плями на хутрі жирафа та луску на крилах бабок. Але у справжній діаграмі Вороного мозаїка повинна генеруватися набором точок. У китайській грошовій рослині гідатоди служать такими точками. Використовуючи геометричні та статистичні тести, Навлаха, Блум та їхні колеги визначили, що відносини пор з основними жилками задовольняють умовам діаграми Вороного.

Потім команда почала шукати, як може розвиватися цей візерунок. Традиційне пояснення того, як формуються подібні листкові жилки, це каналізація, при якій гормон розвитку рослин ауксин розгалужується по листках, створюючи деревоподібну мережу каналів, які стають жилками. Але каналізація не створила б відношення Вороного з гідатодами. Комп'ютерне моделювання натомість показало, що під час розвитку листків рослини хвилі ауксину випромінюються від кожної гідатоди, стикаючись і утворюючи фронти, які зрештою стають основними жилками.

Математичний біолог СіСі Чженг, раніше працювала у Лабораторії Колд-Спрінг-Харбор, каже, що потрібні додаткові дослідження, щоб визначити, чому листки рослини слідують цьому патерну. Одна з можливостей, за її словами, полягає в тому, що візерунок Вороного тримає основні жилки, які транспортують воду, якомога далі від гідатод, де втрата води досягає піку. «Ви можете захотіти розмістити жилки не безпосередньо близько до будь-якого з тих місць, де вода випаровується надзвичайно швидко», каже Чженг, яка зараз працює в Інституті Аллена у Сіетлі.

Сак в захваті від того, що це відкриття може означати за межами біології рослин. Попередні дослідження листкових жилок, за його словами, допомогли вдосконалити такі технології, як сонячні панелі, електронні схеми та іригаційні системи, змусивши інженерів переосмислити, як можна оптимізувати системи розподілу.

«Чим більше ми знаємо про листкові жилки», каже Сак, «тим більше ми можемо будувати функціональні та красиві системи навколо нас».