Листьями можно любоваться из-за их оттенка, осенней окраски или вкуса, а расположение листьев на растении - это практичный способ определить вид. Однако детали того, как растения контролируют расположение своих листьев, остаются для ботаники постоянной загадкой. Японский вид растений со своеобразным рисунком листьев недавно обнаружил неожиданное понимание того, как почти все растения контролируют расположение своих листьев.
Мы разработали новую модель для объяснения одного своеобразного листорасположения. Но на самом деле она более точно отражает не только характер одного конкретного растения, но и спектр разнообразия практически всех наблюдаемых в природе закономерностей листообразования., - сказал доцент Мунетака Сугияма из Ботанического сада Коисикава Токийского университета.
Все по углам
Чтобы определить расположение листьев у растений, ботаники измеряют угол между листьями, двигаясь вверх по стеблю от самого старого листа к самому молодому.
Обычные узоры симметричны и имеют листья, расположенные через равные промежутки в 90 градусов (базилик или мята), 180 градусов (стеблевые травы, такие как бамбук) или в виде спиралей золотого угла Фибоначчи (например, иголки на некоторых сферических кактусах, или сочное спиральное алоэ).
Своеобразный узор, который изучала исследовательская группа Сугиямы, называется «ориксат» в честь вида Orixa japonica, кустарника, произрастающего в Японии, Китае и на Корейском полуострове. O. Japonica иногда используется в качестве живой изгороди.
Углы между листьями O. Japonica составляют 180 градусов, 90 градусов, 180 градусов, 270 градусов, а затем следующий лист сбрасывает шаблон на 180 градусов.
«Наше исследование может по-настоящему понять прекрасные закономерности в природе», - сказал Сугияма.
Математика растения
Исследовательская группа Сугиямы начала свое исследование с исчерпывающей проверки существующего математического уравнения, используемого для моделирования расположения листьев.
Расположение листьев моделируется математически с 1996 года с использованием уравнения, известного как DC2 (Дуади и Кудер 2). Уравнение может генерировать многие, но не все паттерны расположения листьев, наблюдаемые в природе, путем изменения значений различных переменных физиологии растений, таких как взаимосвязь между различными органами растения или сила химических сигналов внутри растения..
У DC2 есть два недостатка, которые исследователи хотели устранить:
- Независимо от того, какие значения вводятся в уравнение DC2, некоторые необычные шаблоны расположения листьев никогда не рассчитываются.
- Спиральный паттерн Фибоначчи, безусловно, самый распространенный спиральный паттерн, наблюдаемый в природе, но он лишь немного более распространен, чем другие спиральные паттерны, рассчитанные по уравнению DC2.
Необычный паттерн
По крайней мере четыре неродственных вида растений обладают необычным рисунком расположения листьев ориксата. Исследователи подозревали, что возможно создать рисунок ориксата, используя фундаментальный генетический и клеточный механизм, общий для всех растений, потому что альтернативная возможность - что один и тот же очень необычный образец расположения листьев развивался четыре или более отдельных раз - казалась слишком маловероятной.
Одним из фундаментальных предположений, используемых в уравнении DC2, является то, что листья испускают постоянный сигнал, подавляющий рост других листьев поблизости, и что сигнал становится слабее на больших расстояниях. Исследователи подозревают, что сигнал, вероятно, связан с растительным гормоном ауксином, но точная физиология остается неизвестной.
Редкие паттерны и общие правила
Мы изменили одно фундаментальное предположение - ингибирующая способность не постоянна, а на самом деле изменяется с возрастом. Мы проверили как увеличение, так и уменьшение ингибирующей способности с возрастом и увидели, что специфический рисунок ориксата был рассчитан, когда более старые листья были более сильный тормозящий эффект», - сказал Сугияма.
Эта информация об изменении силы тормозного сигнала с возрастом может быть использована для направления будущих исследований генетики или физиологии развития растений.
Исследователи называют эту новую версию уравнения EDC2 (Expanded Douady and Couder 2).
Первый автор исследовательской работы, докторант Такааки Йонекура, разработал компьютерное моделирование для создания тысяч шаблонов расположения листьев, рассчитанных EDC2, и для подсчета частоты создания одних и тех же шаблонов. Модели, которые чаще всего наблюдаются в природе, чаще рассчитывались EDC2, что еще раз подтверждает точность идей, использованных для создания формулы.
"Есть и другие очень необычные шаблоны расположения листьев, которые до сих пор не объясняются нашей новой формулой. Сейчас мы пытаемся разработать новую концепцию, которая сможет объяснить все известные шаблоны расположения листьев, а не только почти все шаблоны", - сказал Сугияма.
Сделай сам - определите шаблон
Эксперты рекомендуют смотреть на группу относительно новых листьев при определении расположения листьев растения или филлотаксиса. (По-гречески филлон означает лист.) Старые листья могли повернуться (из-за воздействия ветра или солнца), что может затруднить определение их истинного угла прикрепления к стеблю.
Представьте стебель в виде круга и начните с тщательного наблюдения за тем, где на круге прикреплены самые старые и вторые по возрасту листья. Угол между этими двумя листьями и есть первый «угол расхождения». Продолжайте определять углы расхождения между все более молодыми листьями на стебле. Рисунок углов расхождения - это образец расположения листьев.
Обычные шаблоны расположения листьев: двудольные (обычные 180 градусов, бамбук), спираль Фибоначчи (обычные 137,5 градусов, суккулент Graptopetalum paraguayense), перекрестные (обычные 90 градусов, трава базилика) и трикуссные (обычные 60 градусов, Nerium oleander, иногда известный как собачья отрава).