植物の見事な葉模様の数学的秘密を解読 |理科

訓練を受けていない目には、植物はかなり衝動的に成長しているように見え、ランダムに葉を飛び出し、1つの大きな緑の寄せ集めを作ります.しかし、よく見てみると、バランスのとれた対称性から、自然界のいたるところに奇妙に規則的なパターンが現れていることがわかります。 の魅惑的なスパイラルに 多肉植物 .

実際、これらのパターンは十分に一貫しているため、冷たくて難しい計算で有機的成長をかなりうまく予測できます。葉脈または葉のパターンの研究の中心にあった仮説の 1 つは、葉がパーソナル スペースを保護するというものです。既存の葉が新しい葉に阻害的な影響を及ぼし、他の葉が近くで成長するのを防ぐ信号を発しているという考えに基づいて、科学者は自然の一般的なデザインの多くをうまく再現できるモデルを作成しました。魅力的な フィボナッチ数列 、たとえば、からすべてに表示されます ひまわりの種のアレンジオウムガイの殻 松ぼっくりへ。現在のコンセンサスは、成長ホルモンのオーキシンとそれを植物全体に輸送するタンパク質の動きが、そのようなパターンの原因であるというものです。

リーフアレンジメント

1 節あたり 1 枚の葉を持つ葉の配置は交互葉軸と呼ばれ、1 ノードあたり 2 つ以上の葉の配置は渦巻き状葉軸と呼ばれます。一般的な代替のタイプは、二種の葉状軸 (竹) とフィボナッチ数列の葉状軸 (多肉植物のスパイラル アロエ) であり、渦巻き状の一般的なタイプは、落葉植物 (バジルまたはミント) および三叉葉植物 ( キョウチクトウ 、ドッグベーンと呼ばれることもあります)。(Takaaki Yonekura under CC-BY-ND )





ただし、特定の葉の配置は、植物の成長のための一般的なモデルを切り抜け続けています。 ドゥアディとクーダー 1990 年代から支配的な方程式 (DC1 および DC2 として知られている)。として知られる低木を研究している東京大学の研究者が率いるチーム コクサギ 以前の方程式では植物の異常な構造を再現できないことがわかったため、モデル自体を再考することにしました。彼らの更新されたモデルは、新しい 調査PLOS計算生物学 、かつてはとらえどころのないパターンを再現するだけでなく、以前の方程式よりも優れた他のより一般的な配置を説明する可能性があると著者は述べています。

ほとんどの植物では、葉脈のパターンには対称性があり、らせん対称または放射状対称であると、新しい研究の主任著者である東京大学の植物生理学者である杉山宗隆氏は述べています。しかし、この特別な工場では、 コクサギ 、葉脈のパターンは対称ではありません。これは非常に興味深いことです。 10 年以上前に、各葉の原基の抑制力の変化がこの特異なパターンを説明できるかもしれないという考えが思い浮かびました。

植物学者は、発散角、つまり連続する葉の間の角度を使用して、植物の葉軸を定義します。ほとんどの葉の配置パターンは一定の発散角を保ちますが、 O.ジャポニカ 日本および東アジアの他の地域に自生する低木は、180 度、90 度、180 度、270 度の 4 つの繰り返し角度の交互のシリーズで葉を成長させます。

顔の筋肉の数
コクサギ

アン コクサギ 葉のさまざまな広がり角が見える低木。( CC BY-SA 4.0 の下の Wikicommons 経由の Q​​wert1234 )

研究者がオリキセート葉軸と名付けたこのパターンは、他の分類群の植物 (赤熱した火花など) のように、1 回限りの異常ではありません。 クニフォフィア・ウヴァリア 、またはクレープマートル サルスベリ インディカ ) 同じ複雑な順序で葉を交互に並べます。葉の配置は進化系統樹のさまざまな場所に現れるため、著者は、類似性は共通のメカニズムに由来し、さらなる研究が必要であると結論付けました。

さまざまなパラメーターで Douady 方程式と Couder 方程式をテストした後、著者は交互のオリキセート配列に近いパターンを生成できましたが、シミュレートされた植物はどれも完全に一致するものではありませんでした。 O.ジャポニカ 彼らが解剖して研究したサンプル。そこで、チームは Douady と Couder の方程式に別の変数、つまり葉の年齢を追加して新しいモデルを構築しました。以前のモデルでは、葉の抑制力は時間が経っても変わらないと想定していましたが、この定数は生物学の観点から自然ではありませんでした、と杉山は言います。代わりに、杉山のチームは、これらのキープアウェイ信号の強さが時間とともに変化する可能性を考慮しました。

結果として得られたモデル (チームは拡張 Douady および Couder モデル、EDC1 および EDC2 と呼んでいます) は、コンピューター化された成長を通じて、複雑な葉の配置を再現することに成功しました。 O.ジャポニカ .この偉業に加えて、展開された方程式は他のすべての一般的な葉のパターンも生成し、これらの品種の固有振動数を以前のモデルよりも正確に予測しました。特にスパイラル パターンの植物の場合、新しい EDC2 モデルは、他の配置と比較してフィボナッチ スパイラルの超優勢を予測しましたが、以前のモデルでは、この特定の形状が自然のいたるところに現れる理由を説明できませんでした。

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私たちのモデルである EDC2 は、すべての主要なタイプの葉脈に加えて、オリキセート パターンを生成できます。これは明らかに前モデルよりもアドバンテージがあると杉山氏は言う。 EDC2 は、さまざまなパターンの自然発生にもよく適合します。

コクサギ モデル

の葉 コクサギ 分岐 (左上) とオリキセート phyllotaxis の模式図 (右)。オリキセート パターンは、葉の間の角度の独特な 4 周期の変化を示します。走査型電子顕微鏡写真(中央と左下)は冬芽です。 O.ジャポニカ 、葉が最初に成長し始める場所。原始葉は、最も古い葉を P8、最も若い葉を P1 として順番にラベル付けされます。ラベル O はシュートの頂点を示します。(Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama under CC-BY)

著者らは、葉の年齢がこれらの成長パターンに影響を与える正確な原因を特定することはできませんが、杉山は、植物の成長過程におけるオーキシン輸送システムの変化に関係があるのではないかと推測しています。

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このような謎は、計算モデルと実験室での実験の間のプッシュとプルによって解決できると、この研究には関与していない計算生物学者のシエラ・マルティネスは言う。著者のモデルは、葉軸の理解を深めるための刺激的なステップを提供し、他の植物学者が植物の解剖と分析でギャップを埋める余地を残します。

モデルによって、正確なメカニズムはまだわかっていないかもしれませんが、少なくとも何を探すべきかについての強力な手がかりが与えられます、とマルティネスは電子メールで述べています.モデルが予測することを発見するには、実際の植物の分子メカニズムを詳しく見る必要があります。

葉っぱの成長GIF

新しい葉 (赤い半円) が茎頂 (中央の黒い円) から形成され、外側に成長するにつれて、「オリキセート葉軸」における葉の配置パターンを上から見た図。(Takaaki Yonekura under CC-BY-ND)

杉山氏のチームは、モデルをさらに改良し、既知のすべての葉脈パターンを生成できるように取り組んでいます。わずかな発散角を持つらせん状の謎の葉模様の 1 つは、まだ計算による予測を回避していますが、杉山氏は葉っぱのコードを解読する寸前であると考えています。

私たちの研究が実際に社会に役立つとは考えていません、と杉山は言います。しかし、それが自然の対称的な美しさの理解に役立つことを願っています。





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