Oamenii de știință au descoperit că planta chinezească de bani își crește în secret frunzele folosind o matematică elegantă, întâlnită în mod normal în informatică și planificarea urbană.
Oamenii de știință au descoperit un secret matematic ascuns în interiorul frunzelor plantei chinezești de bani: un model geometric natural cunoscut sub numele de diagramă Voronoi, ceva asociat în mod obișnuit cu planificarea urbană, informatica și proiectarea rețelelor. Prin cartografierea porilor mici și a venelor buclate din frunzele plantei, cercetătorii au descoperit că planta se organizează folosind același tip de logică spațială elegantă pe care o folosesc oamenii pentru a rezolva probleme complexe de distanță - fără a „măsura” vreodată nimic.
Stânga: Frunza rotundă și plată de Pilea Peperomioides, planta chinezească de bani. Dreapta: Un model computerizat al unei diagrame Voronoi urmărește porii hidathode centrali ai frunzei și venele reticulate buclate. Credit: Laboratorul Navlakha/CSHL
Oamenii observă adesea forme familiare în locuri aleatorii. Poate că te-ai uitat la nori și ți-ai imaginat o barcă cu pânze, un căluț de mare sau chiar mătușa ta Rosemary care se uită înapoi la tine. Oamenii de știință numesc această tendință de a găsi tipare semnificative în aleatoriu „apophenia”. Dar, în unele cazuri, aceste tipare sunt foarte reale.
Profesorul asociat Saket Navlakha de la Cold Spring Harbor Laboratory studiază structurile ascunse care apar în natură. Unul dintre cele mai cunoscute exemple de modelare organizată este diagrama Voronoi, un sistem geometric care împarte spațiul în regiuni separate în jurul unor puncte centrale. Un exemplu simplu ar fi districtele școlare. Fiecare district (regiune) este aranjat astfel încât elevii să fie întotdeauna cei mai aproape de școala (punctul central) alocată lor.
„Diagramele Voronoi au fost folosite de secole într-o varietate de aplicații, de la planificarea urbană la proiectarea rețelelor”, spune Navlakha. Tipare asemănătoare cu diagramele Voronoi pot fi adesea văzute în natură, inclusiv marcajele de pe girafe. Cu toate acestea, aceste versiuni naturale nu conțin, de obicei, punctele centrale evidente găsite în exemplele din manuale.
Navlakha și fostul student absolvent Cici Zheng au identificat recent o excepție rară în Pilea peperomioides, cunoscută mai bine sub numele de planta chinezească de bani.
Planta chinezească de bani este o specie perenă originară din provinciile Yunnan și Sichuan din China. Este, de asemenea, o plantă de apartament populară, adesea oferită cadou. Frunzele sale circulare conțin pori vizibili numiți hidathode, care sunt înconjurați de rețele de vene buclate care transportă apa și nutrienții prin frunză. După ce au cartografiat cu atenție porii și venele, Navlakha și Zheng au descoperit că structura frunzei formează în mod natural un model Voronoi.
Pentru a înțelege mai bine modul în care se dezvoltă modelul, cercetătorii au colaborat cu Przemysław Prusinkiewicz, un om de știință recunoscut la nivel internațional pentru munca sa asupra formării venelor plantelor. Împreună, ei au identificat „algoritmul natural” responsabil pentru crearea venelor buclate din jurul porilor din frunze.
„Așa cum oamenii trebuie să rezolve probleme pentru a supraviețui, același lucru este valabil și pentru alte organisme”, spune Zheng, acum postdoc la Allen Institute. „Dar, spre deosebire de oameni, plantele nu pot măsura explicit distanțele! În schimb, ele se bazează pe interacțiuni biologice locale pentru a obține aceeași soluție Voronoi.”
Descoperirea evidențiază modul în care organismele vii pot crea sisteme foarte organizate fără planificare sau măsurare conștientă.
„Ne gândim la acești algoritmi din natură ca la o explicație a modului în care se vor comporta organismele și ca la o modalitate de a încerca să înțelegem lumea”, spune Navlakha. „Acest exemplu este o fuziune frumoasă de geometrie clasică, biologie modernă a plantelor și informatică.”
Prusinkiewicz spune că descoperirile pot răspunde în sfârșit unui mister științific de lungă durată care implică formarea venelor frunzelor.
„Este remarcabil cât de matematic se dovedește a fi încă un aspect al formei și modelării plantelor”, adaugă Prusinkiewicz. „Timp de decenii, întrebarea despre modul în care se formează venele reticulate a rămas deschisă și, în sfârșit, avem un răspuns plauzibil” în modelele Voronoi ale plantelor chinezești de bani.
Navlakha și Zheng speră că studiile viitoare ale acestor tipare vor dezvălui mai multe despre modul în care plantele rezolvă provocări biologice complicate. Ei cred că munca ar putea ajuta în cele din urmă oamenii de știință să înțeleagă mai bine principiile matematice care modelează evoluția, dezvoltarea și viața însăși.