Kepada mata yang tidak terlatih, tumbuh-tumbuhan mungkin kelihatan bertumbuh secara mendadak, memunculkan daun secara rawak untuk membuat satu jumble hijau besar. Lihatlah dengan lebih dekat, dan anda akan mendapati bahawa corak biasa yang biasa muncul di seluruh dunia semulajadi, dari simetri seimbang pucuk buluh ke spiral rama-rama yang memukau.
Malah, corak ini cukup konsisten bahawa matematik yang sejuk dan keras boleh meramalkan pertumbuhan organik dengan baik. Satu asumsi yang menjadi pusat kajian phyllotaxis, atau corak daun, adalah bahawa daun melindungi ruang peribadi mereka. Berdasarkan idea bahawa daun yang sudah ada mempunyai pengaruh menghambat yang baru, memberi isyarat untuk menghalang orang lain daripada tumbuh di dekatnya, para saintis telah mencipta model yang berjaya dapat mencipta banyak reka bentuk umum alam semula jadi. Susunan Fibonacci yang sentiasa menarik, sebagai contoh, muncul dalam segala-galanya dari pengaturan biji bunga matahari ke cangkang nautilus ke kon pain. Konsensus semasa adalah bahawa pergerakan hormon pertumbuhan auxin dan protein yang mengangkutnya di seluruh tumbuhan bertanggungjawab untuk corak sedemikian.
Susunan daun dengan satu daun setiap nod dipanggil phyllotaxis bergantian, sedangkan susunan dengan dua atau lebih daun per nod dipanggil phyllotaxis whorled. Jenis alternatif biasa ialah phyllotaxis distong (buluh) dan phyllotaxis spiral Fibonacci (spiral aloe spiral), dan jenis whorled yang lazimnya merumuskan phyllotaxis (basil atau pudina) dan phyllotaxis tricussate ( Nerium oleander, kadang-kadang dikenali sebagai dogbane). (Takaaki Yonekura di bawah CC-BY-ND) Walau bagaimanapun, pengaturan daun tertentu terus menjadi model yang popular untuk pertumbuhan tumbuhan, termasuk persamaan Douady dan Couder (dikenali sebagai DC1 dan DC2) yang telah dikuasai sejak tahun 1990-an. Pasukan yang diketuai oleh penyelidik University of Tokyo yang mempelajari sebuah semak yang dikenali sebagai Orixa japonica mendapati bahawa persamaan terdahulu tidak dapat mencipta struktur luar biasa tumbuhan, sehingga mereka memutuskan untuk memikirkan semula model itu sendiri. Model terkini mereka yang dijelaskan dalam satu kajian baru dalam PLOS Computational Biology, bukan sahaja menghasilkan semula corak sekali-sukar difahami tetapi juga dapat menerangkan pengaturan yang lain yang lebih biasa daripada persamaan sebelumnya, kata para penulis.
"Di kebanyakan tumbuhan, pola phyllotactic mempunyai simetri-simetri spiral atau simetri radial, " kata ahli fisiologi tumbuhan University of Tokyo Munetaka Sugiyama, pengarang kanan kajian baru itu. "Tetapi di kilang khas ini, Orixa japonica, corak phyllotactic tidak simetris, yang sangat menarik. Lebih daripada 10 tahun yang lalu, idea datang kepada saya bahawa beberapa perubahan dalam kuasa penghambaan setiap primordium daun boleh menjelaskan corak aneh ini. "
Ahli botani menggunakan sudut pemencahan, atau sudut antara daun berturut-turut, untuk menentukan phyllotaxis tumbuhan. Walaupun kebanyakan corak susunan daun menyimpan sudut penyimpangan yang berterusan, semak O. japonica, yang berasal dari Jepun dan bahagian-bahagian lain di Asia Timur, tumbuh daun dalam siri berselang empat sudut berulang: 180 darjah, 90 darjah, 180 darjah sekali lagi, kemudian 270 darjah.
Perduunan Orixa japonica dengan pelbagai sudut perbezaan daun kelihatan. (Qwert1234 melalui Wikicommons di bawah CC BY-SA 4.0) Corak ini, yang ditemui oleh para penyelidik sebagai "orixate" phyllotaxis, bukan sekadar anomali sekali saja, sebagai tumbuhan daripada taksonomi lain (seperti "poker merah-panas" Kniphofia uvaria, atau krep myrtle Lagerstroemia indica ) urutan rumit. Kerana susunan daun muncul di tempat yang berbeza pada pokok evolusi, penulis menyimpulkan kesamaan itu berasal dari mekanisme umum yang memerlukan kajian lanjut.
Setelah menguji persamaan Douady dan Couder dengan parameter yang berlainan, penulis dapat menghasilkan corak yang hampir dengan susunan orixate berselang-seli, tetapi tidak ada tanaman simulasi yang dipadankan dengan sempurna dengan sampel O. japonica yang dibedah dan dipelajari. Oleh itu, pasukan membina model baru dengan menambahkan pembolehubah lain kepada persamaan Douady dan Couder: usia daun. Model-model bekas asumsi kuasa menghalang daun tetap sama dari masa ke masa, tetapi pemalar ini "tidak semulajadi dari sudut pandang biologi, " kata Sugiyama. Sebaliknya, pasukan Sugiyama membenarkan kemungkinan kekuatan isyarat "menjauhkan" ini berubah dari masa ke masa.
Model yang dihasilkan-pasukan yang merujuk kepada model Douady dan Couder yang diperluas, EDC1 dan EDC2-berjaya mencipta, melalui pertumbuhan berkomputer, susunan daun rumit O. japonica . Di luar pencapaian ini, persamaan yang diperluas juga menghasilkan semua corak dedaunan yang lain dan meramalkan frekuensi semula jadi varieti-varieti ini lebih tepat daripada model terdahulu. Terutamanya dalam hal tumbuhan berpola spiral, model EDC2 baru meramalkan "super dominasi" spiral Fibonacci berbanding dengan susunan lain, manakala model terdahulu gagal untuk menjelaskan mengapa bentuk ini kelihatan kelihatan di mana-mana.
"Model kami, EDC2, boleh menghasilkan corak orixate sebagai tambahan kepada semua jenis phyllotaxis utama. Ini jelas merupakan kelebihan berbanding model terdahulu, "kata Sugiyama. "EDC2 juga sesuai dengan kejadian semula jadi pelbagai corak."
Daun di cawangan Orixa japonica (kiri atas) dan gambarajah skematik phyllotaxis orixate (kanan). Corak orixate memaparkan perubahan empat siklus aneh sudut antara daun. Imej mikroskop elektron imbasan (tengah dan bahagian bawah kiri) menunjukkan musim sejuk O. japonica, di mana daun pertama mula berkembang. Daun awal diberi label berurutan dengan daun tertua sebagai P8 dan daun paling muda sebagai P1. Label O menandakan apex pucuk. (Takaaki Yonekura / Akitoshi Iwamoto / Munetaka Sugiyama di bawah CC-BY) Para penulis belum dapat menyimpulkan apa yang sebenarnya menyebabkan usia daun mempengaruhi corak pertumbuhan ini, walaupun Sugiyama berspekulasi bahwa hal itu mungkin berkaitan dengan perubahan pada sistem pengangkutan auksin selama pembangunan tumbuhan.
Misteri-misteri sedemikian boleh diselesaikan oleh "tolak dan tarik" antara model pengkomputeran dan eksperimen makmal, kata Ciera Martinez, seorang ahli biologi pengkomputeran yang tidak terlibat dalam kajian tersebut. Model penulis menyediakan langkah yang menarik ke arah pemahaman yang lebih baik tentang phyllotaxis dan meninggalkan ruang bagi ahli botani lain untuk mengisi jurang dengan pembedahan dan analisis tumbuhan.
"Dengan model, walaupun kita mungkin tidak tahu mekanisme yang tepat, kita sekurang-kurangnya diberi petunjuk kuat mengenai apa yang perlu dicari, " kata Martinez dalam e-mel. "Sekarang kita hanya perlu melihat lebih dekat pada mekanisme molekul dalam tumbuhan sebenar untuk mencuba dan mengetahui model yang diramalkan."
Tinjauan di atas ke bawah pola susunan daun dalam phyllotaxis "orixate" sebagai bentuk daun baru (separuh bulatan merah) dari puncak apex (bulatan hitam pusat) dan berkembang ke luar. (Takaaki Yonekura di bawah CC-BY-ND) Pasukan Sugiyama berusaha untuk memperbaiki model mereka lebih jauh dan mendapatkannya untuk menghasilkan semua pola phyllotactic yang diketahui. Satu corak daun "misteri", lingkaran dengan sudut penyimpangan yang kecil, masih mengelakkan ramalan komputasi, walaupun Sugiyama menganggap mereka hampir memecahkan kod berdaun.
"Kami tidak fikir kajian kami praktikal berguna untuk masyarakat, " kata Sugiyama. "Tetapi kami berharap ia akan menyumbang kepada pemahaman kita tentang kecantikan simetri dalam alam semula jadi."
