콜리플라워와 혼돈, 모든 꽃의 프랙탈

승려들은 한때 연금술을 통해 납을 금으로 바꾸기를 희망했습니다. 그러나 대신 콜리플라워를 고려하십시오. 맛이 없는 Brassica oleracea 종의 일반 줄기, 줄기 및 꽃을 이 구름 같은 프랙탈 야채와 같은 멋진 구성으로 변환하는 데 단 두 개의 유전자가 필요합니다.

이것은 진정한 연금술이라고 프랑스 리옹에 있는 국립 디지털 과학 및 기술 연구소의 선임 연구원인 Christoph Godin은 말합니다.

Godin 박사는 3차원에서 다른 종의 모양의 진화를 가설적으로 모델링하여 식물 구조를 연구합니다. 그는 콜리플라워의 엇갈린 나선 모양과 결정체로 거의 오인될 수 있는 콜리플라워 품종인 Romanesco의 대수 프랙탈 뒤에 어떤 유전적 변형이 있는지 궁금했습니다.

“자연은 어떻게 그런 예상치 못한 것을 만들 수 있습니까?” 물었다. 이 이면의 규칙은 무엇입니까?

15년 전 Dr. Godin은 프랑스 그르노블에 있는 국립 과학 연구 센터의 식물 생물학자인 François Barsi를 만났습니다. Dr. Parsi에서 Dr. Godin은 Fractal Flowers의 사악한 동료를 알고 있었습니다.

Barsi 박사는 Romanesco를 언급하며 “훌륭한 야채라는 것을 눈치채지 못할 리가 없습니다.

Brassica의 열정 덕분에 Dr. Godin과 Dr. Parsi는 로마네스코와 표준 콜리플라워 모두에서 프랙탈 기하학의 유전적 신비를 조사하여 수학적 모델에서 식물을 불러일으키고 실제 생활에서 재배했습니다. 꽃의 성장을 관장하는 유전자 네트워크의 변화에 ​​대한 반응으로 프랙탈이 형성된다는 그들의 발견은 목요일에 발표되었습니다. 과학.

연구에 참여하지 않은 뉴욕 대학의 생물학자인 마이클 보루가넌은 “한편으로는 유전학의 매혹적인 융합과 다른 한편으로는 엄격한 모델링이 이루어졌다”고 말했습니다. “그들은 유전자가 상호 작용하는 방식의 규칙을 조정함으로써 식물에 급격한 변화를 가져올 수 있음을 보여주려고 합니다.”

2000년대 초반에 Parsi 박사는 자신이 브로콜리를 이해한다고 생각했습니다. 그는 심지어 꽃 진화에 대한 교훈을 가르쳤습니다. “콜리플라워란 무엇인가요? 어떻게 자랄 수 있나요? 왜 그렇게 생겼죠?”라고 그는 말했습니다.

콜리플라워는 브뤼셀 콩나물과 마찬가지로 꼬투리에서 줄기가 있습니다. 선택 교육 브라시카 올레라시아에서. 인간은 곁눈을 위해 브뤼셀 콩나물을, 꽃송이를 위해 브로콜리를 키웠습니다. 그러나 콜리플라워는 꽃 봉오리를 생산하지 않습니다. 꽃이 핌 또는 꽃 봉오리는 꽃을 피우기 위해 성숙하지 않습니다. 대신, 콜리플라워 꽃송이는 나선형으로 자신의 복제물을 생성하여 비건 치즈와 같은 응유 클러스터를 만듭니다.

두 연구원이 콜리플라워에 대해 논의했을 때 Godin 박사는 Parsi 박사가 콜리플라워를 정말로 이해했다면 채소의 형태학적 진화를 모델링하는 것이 쉬울 것이라고 제안했습니다. 밝혀진 바에 따르면 그렇지 않았습니다.

두 사람은 먼저 판에서 응고된 늪을 만났고 식물이 어떻게 현재의 형태로 변이했는지 설명할 수 있는 다양한 유전 네트워크를 그렸습니다. 그들의 영감은 콜리플라워 및 그 많은 사촌과 같은 가족에서 잘 연구된 허브인 Arabidopsis thaliana였습니다.

콜리플라워가 식물의 바닥에 하나의 콜리플라워를 가지고 있다면, Arabidopsis는 긴 줄기를 따라 많은 콜리플라워 같은 구조를 가지고 있습니다. 그러나 어떤 유전자가 이 가느다란 콜리플라워를 하나의 크고 작은 콜리플라워로 정제할 수 있을까요? 그리고 그들이 이 유전자를 확인한다면 이 콜리플라워를 Romanescus가 형성한 봉우리에 바를 수 있습니까?

이러한 질문에 답하기 위해 연구원들은 유전자 네트워크를 수정하고 수학적 모델을 통해 이를 3차원으로 생성하고 실생활에서 돌연변이를 일으켰습니다. “당신은 무언가를 상상하지만 프로그래밍하기 전에는 그것이 어떻게 보일지 알 수 없습니다.”라고 Parsi 박사는 말했습니다.

(연구 과정에서 Barsi 박사는 지역 농산물 시장에서 여러 로마네스코 샘플을 수집하여 서열을 분석하고 해부했습니다. 그와 그의 동료들은 남은 음식을 종종 생맥주와 함께 다양한 소스와 함께 먹었습니다.)

나는 여러 프로토타입에 실패했고 콜리플라워처럼 보이지 않습니다. 처음에 연구자들은 콜리플라워의 핵심이 줄기의 길이에 있다고 생각했습니다. 그러나 짧은 줄기가 있거나 없는 Arabidopsis 식물을 프로그래밍했을 때 3D 모델이나 실제 생활에서 콜리플라워 줄기의 크기를 줄일 필요가 없다는 것을 깨달았습니다.

그리고 그들이 시뮬레이션하고 재배한 브로콜리는 단순히 프랙탈이 충분하지 않았습니다. 패턴은 다른 소용돌이에 중첩된 나선처럼 두 개의 프랙탈 규모에서만 볼 수 있었습니다. 대조적으로, 일반적인 콜리플라워는 종종 적어도 7개의 프랙탈 척도에서 자기 유사성을 보여, 다른 소용돌이 끝에 있는 중간 소용돌이에 중첩된 소용돌이에 중첩된 소용돌이에 중첩된 나선에 좌초된 나선을 의미합니다.

그래서 줄기에 초점을 맞추는 대신, 그들은 활발하게 분열하는 세포가 새로운 성장을 생성하는 각 줄기 끝에 있는 식물 조직의 영역인 분열조직에 초점을 맞췄습니다. 그들은 분열 조직을 더 크게 만들면 생산되는 새싹의 수가 증가할 것이라고 가정했습니다.

유일한 문제는 연구자들이 분열 조직 생산의 빈도를 제어할 수 있는 유전자가 무엇인지 알지 못했다는 것입니다.

어느 날, 당시 고딘 박사의 연구실에서 박사후 과정 연구원이었던 Eugenio Azpetia는 분열 조직의 중앙 영역의 크기를 변경하는 것으로 알려진 유전자를 기억했습니다. 3명의 연구원은 잠시 행복감에 빠졌다가 새로 변형된 Arabidopsis가 자랄 때까지 몇 달을 참을성 있게 기다렸습니다. 새싹이 돋았을 때 독특한 원추형 머리를 가진 콜리플라워가 있었습니다.

“그것은 우리에게 로마네스코에서 무슨 일이 일어나고 있는지 많이 생각나게 합니다”라고 Dr. Godin은 자랑스럽게 말했습니다.

일반적으로 식물이 꽃을 발아할 때 식물의 꽃 끝 부분이 줄기에서 더 이상 성장하는 것을 방지합니다. 콜리플라워 커드는 꽃이 되기 위해 고안된 꽃봉오리이지만 결코 꽃이 피지 않고 버리는 것입니다. 그러나 분열조직 연구자들의 실험에 따르면 이 새싹은 일시적인 개화 단계를 거치기 때문에 성장을 이끄는 유전자에 노출됩니다. “당신은 꽃이었기 때문에 자유롭게 자랄 수 있고 쏠 수 있습니다.”라고 Parsi 박사는 말했습니다.

이 과정은 분열 조직이 많은 새싹을 생성하고 차례로 많은 새싹을 만들어 콜리플라워의 프랙탈 기하학을 활성화하는 연쇄 반응을 생성합니다.

정상적인 그루터기가 아닙니다.”라고 Goodin 박사는 말했습니다. “잎 없는 다리야. 정신 없는 다리야.”

“이것이 콜리플라워를 만드는 유일한 방법입니다.”라고 Parsi 박사가 말했습니다.

연구원들은 Romanesco의 놀라운 모양에 책임이 있는 다른 돌연변이가 있을 가능성이 있다고 말합니다. 콜리플라워 커드의 구조 뒤에 있는 가능한 유전적 메커니즘을 연구하고 있는 베이징 야채 연구 센터의 연구원인 Ning Gu는 그 논문이 “많은 영감”을 제공했다고 말했습니다.

Godin 박사는 “이야기는 아직 끝나지 않았습니다.”라고 말하면서 그와 Parsi 박사는 계속해서 콜리플라워 모델을 개선할 것이라고 덧붙였습니다. “하지만 우리는 우리가 올바른 길을 가고 있다는 것을 알고 있습니다.”

그러나 그들은 꽃에서 무엇이든 연구할 수 있다고 말합니다.