Ученые выявили закономерности, напоминающие алгоритм, в росте китайского денежного дерева.

Новости МирТесен

Обратите внимание на облака. Что вы замечаете? Парус? Схему морского конька? Лицо своей двоюродной бабушки? Люди часто видят определенные структуры там, где их на самом деле не существует. Это явление встречается довольно часто и имеет специальный термин — апофения. Но в некоторых случаях такие закономерности действительно существуют. Доцент Лаборатории Колд-Спринг-Харбор Сакет Навлаха специализируется на их поиске.

Диаграммы Вороного представляют собой геометрические фигуры, применяемые для разделения пространства на отдельные области. Каждая область характеризуется наличием определенной центральной точки. Так, при формировании школьных округов в городе диаграмма Вороного обеспечивает, чтобы все учащиеся, проживающие в данном округе, находились ближе к школе этого округа (центральной точке), чем к любой другой. «Диаграммы Вороного на протяжении многих лет применяются в различных сферах деятельности — начиная от городского планирования и заканчивая проектированием сетей», — отмечает Навлаха.

В природе нередко наблюдаются структуры, напоминающие диаграммы Вороного, такие как пятна на коже жирафа. Важно отметить, что речь идет лишь о схожести. Отличие диаграмм Вороного, представленных в учебниках, от природных образований заключается в том, что в последних обычно нет четко выраженных «скоплений». Однако Навлаха и Чичи Чжэн обнаружили исключение в Pilea peperomioides, китайском денежном дереве.

Пилея пеперомиевидная, также известная как китайское денежное дерево, представляет собой многолетнее растение, которое можно встретить в провинциях Юньнань и Сычуань, расположенных в Китае. Вероятно, вы получили его в качестве подарка на новоселье от родственницы. На округлых, плоских листьях пилеи отчетливо заметны гидатоды – клетки, отвечающие за выделение капельной жидкости и растворённых в ней солей, которые обрамлены петлеобразными жилками, по которым вода и питательные вещества поступают в лист и выводятся из него. Изучив расположение пор и жилок пилеи, исследователи выявили естественный узор Вороного.

Затем специалисты проконсультировались с ученым Пшемыславом Прусинкевичем, посвятившим годы изучению жилкования листьев. В сотрудничестве с ним был разработан «естественный алгоритм», применяемый для создания спиралевидных жилок вокруг центральных пор на листьях пилеи пеперомиевидной.

«Для поддержания жизни людям необходимо находить решения проблем. Подобная ситуация характерна и для других живых существ, — отмечает Чжэн. — Однако, в отличие от людей, растения не способны непосредственно определять расстояния. Вместо этого они используют локальные биологические взаимодействия, чтобы достичь аналогичного результата, как в алгоритме Вороного».

«Изучение природных алгоритмов позволяет нам понять поведение живых организмов и попытаться объяснить, как устроен окружающий мир, — отмечает Навлаха. — Этот случай представляет собой успешное объединение классической геометрии, современной биологии растений и информатики».

«Прусинкевич отмечает, что новый аспект формы и структуры растений оказывается удивительно связан с математикой. На протяжении многих лет механизм формирования сетчатых жилок оставался неясным, но теперь у исследователей есть вероятное объяснение — диаграммы Вороного».

Навлаха и Чжэн полагают, что исследование этого процесса позволит лучше понять, как растения справляются со сложными задачами в естественной среде. Полученные результаты способны стать фундаментом для понимания математических принципов, определяющих эволюцию, развитие и саму жизнь. Статья опубликована в журнале Nature Communications.

[Фото: Nick Wurm/CSHL]