花椰菜為什么這么丑？科學(xué)家終于找到了答案

羅馬花椰菜（圖片來源：wikipedia）撰文丨艾蒂安·法爾科（Etienne Farcot）翻譯丨白德凡編輯丨楊心舟

你在料理花椰菜之前會不會盯著它看，然后被它表面的絕美圖案給迷住？一般人應(yīng)該不會這么做，但我保證這值得一試。你在觀察之后會發(fā)現(xiàn)，這團(tuán)乍一看雜亂無章的東西其實有著驚人的規(guī)律性。

如果看得仔細(xì)，你會發(fā)現(xiàn)花椰菜的許多小花苞看起來很相似，仿佛自身的微縮版本。在數(shù)學(xué)上，我們稱這種性質(zhì)為自相似性，這是抽象幾何對象的一個標(biāo)志性特征，被稱為分形。但是花椰菜為什么會有這種性質(zhì)呢？我們發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的新研究給出了答案。

自然界中有許多分形的實例，比如冰晶和樹枝。從數(shù)學(xué)上講，對初始圖案的復(fù)制過程可以無窮無盡。花椰菜表現(xiàn)出高度的自相似性，一個“相同”的小花苞可以復(fù)制七次以上。

這種情形在羅馬花椰菜（有時也因為顏色而被稱為羅馬西蘭花）上最為明顯。如果你在網(wǎng)上搜索“植物分形”，它會是最先出現(xiàn)的圖像之一。羅馬花椰菜最引人注目的地方在于其輪廓分明的金字塔形小花，它們沿著無盡的螺旋結(jié)構(gòu)堆積排列。類似的排列也存在于其他花椰菜中，不過沒有這么明顯。

羅馬花椰菜（圖片來源：wikipedia）

螺旋結(jié)構(gòu)存在于許多植物中，這是植物的一種主要的組織模式。值得一提的是，這個話題已經(jīng)被研究了2000多年。雖然花椰菜和大多數(shù)植物一樣具有螺旋結(jié)構(gòu)，但它的自相似性卻是獨一無二的。這種特性從何而來？花椰菜的螺旋和其他植物的螺旋是由相同的機(jī)制產(chǎn)生的嗎？

大約12年前，我在法國的兩位同事弗朗索瓦·帕西（Fran?ois Parcy）和克里斯托夫·戈丹（Christophe Godin）提出了這些問題，并邀請我加入這項研究工作。我們花了很多時間瘋狂地拆花，數(shù)花，測量花與花之間的角度，研究有關(guān)花椰菜生長的分子機(jī)制的文獻(xiàn)，試圖為這些神秘的植物創(chuàng)建一個逼真的計算模型。

圖片來源：Eugenio Azpeitia et al., Science 2021

目前，大多數(shù)可用的相關(guān)數(shù)據(jù)是關(guān)于擬南芥的，這是一種開花植物，也被稱為“塔勒水芹”。這種植物雖然是一種雜草，但在現(xiàn)代植物生物學(xué)中有重要地位，因為科學(xué)家對它及其變種的遺傳學(xué)研究已經(jīng)廣泛開展了很多年。結(jié)果發(fā)現(xiàn)擬南芥和甘藍(lán)（Brassica oleracea，花椰菜和卷心菜等都屬于這一物種）存在聯(lián)系，它們同屬于十字花科。事實上，擬南芥也有花椰菜版本，它產(chǎn)生自一對相似基因的突變。因此，這種突變植物與花椰菜的遺傳學(xué)特征非常相似。

帶有類似突變的擬南芥（圖片來源：Phillip McClean/NDSU）如果你花些時間觀察花園里的雜草（很可能包括擬南芥的近親）莖上的分枝，你會發(fā)現(xiàn)這些分枝一個緊接著一個，每一對分枝的夾角都是相同的。如果沿著這個分枝螺旋延伸足夠遠(yuǎn)，你會看到另外的螺旋，有順時針的也有逆時針的。

圖片來源：Etienne Farcot

數(shù)一數(shù)螺旋的數(shù)目，你會發(fā)現(xiàn)它通常是斐波那契數(shù)列中的某個數(shù)——這個數(shù)列中的每個數(shù)由前兩個數(shù)相加得到，于是得到0，1，1，2，3，5，8，13……的數(shù)列。在一個典型的花椰菜上，預(yù)計會看到5個順時針螺旋和8個逆時針螺旋，或者反過來。但這是為什么呢？為了理解植物的幾何形狀在其一生中如何發(fā)展變化，我們既需要數(shù)學(xué)，也需要顯微鏡。

我們現(xiàn)在知道，每種植物的主要螺旋結(jié)構(gòu)在微觀尺度上早已形成，這發(fā)生在它發(fā)育的早期。在這一階段，植物甚至還是點狀大小的結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中特定的基因會開始表達(dá)，決定了這個區(qū)域會長成枝、葉還是花。

圖片來源：Eugenio Azpeitia et al., Science 2021

但實際上，這些基因會在復(fù)雜的“基因網(wǎng)絡(luò)”中相互作用，導(dǎo)致特定基因在特定的區(qū)域和時間得到表達(dá)。這不是簡單的直覺能夠把握的，因此數(shù)學(xué)生物學(xué)家依靠微分方程來為這些基因網(wǎng)絡(luò)編寫模型，進(jìn)而預(yù)測它們的行為。

我們發(fā)現(xiàn)主要的參與者有四個基因，它們的首字母是S、A、L和T。其中A基因在突變成花椰菜狀的擬南芥中缺失，它也是驅(qū)動某結(jié)構(gòu)變成花的基因。

花椰菜的特別之處在于，生長頂端上的這些點會在一段時間內(nèi)（最多幾個小時）嘗試變成花，但由于缺失A基因它們不會不斷經(jīng)歷失敗，開不出花來。于是它們轉(zhuǎn)而朝著莖發(fā)育。這一過程會反復(fù)進(jìn)行，莖上又發(fā)育出莖，如此反復(fù)而不長葉子，進(jìn)而產(chǎn)生一堆幾乎一樣的小芽。

根據(jù)最新的論文，花椰菜的螺旋葉序是不尋常的，因為這些螺旋在幾個不同大小的尺度上都很明顯，而羅馬花椰菜則尤為突出。研究認(rèn)為花椰菜基本上是失敗的花。整個開花過程取決于那些分支的尖端或分生組織，它們由未分化的細(xì)胞組成，這些細(xì)胞最終只能分裂并發(fā)育成以螺旋模式排列的其他器官。

這一過程的連鎖反應(yīng)，也最終導(dǎo)致了“莖上加莖”的標(biāo)志性結(jié)構(gòu)，對吃貨來說，也就是花椰菜可食用的部分。羅馬花椰菜的莖會以加速的方式產(chǎn)生小芽，而不是其他花椰菜的恒定速度，因此，它的小花呈現(xiàn)出獨特的金字塔狀形狀。

這些植物嘗試開花的時間長短至關(guān)重要，我們的模型將這一項設(shè)置對了就可以在計算機(jī)上精確地重現(xiàn)羅馬花椰菜的圖案。隨后我們改變真實的擬南芥花椰菜的生長情況，有效地將其變成非常類似于微型羅馬花椰菜的形狀，由此證實了這一點。

大自然是如此的復(fù)雜，令人驚嘆。下次你晚餐吃花椰菜的時候，在吃之前記得花點時間欣賞一下。

原文鏈接：

https://sciencex.com/news/2021-07-math-fractal-cauliflower.html

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