Cavolfiore e caos, frattale in ogni fiore

I monaci una volta speravano di trasformare il piombo in oro attraverso l’alchimia. Ma considera invece il cavolfiore. Ci vogliono solo due geni per trasformare gli steli, i gambi e i fiori regolari dell’insipida specie Brassica oleracea in una splendida composizione come questo frattale vegetale simile a una nuvola.

Questa è una vera alchimia, afferma Christophe Godin, ricercatore senior presso l’Istituto nazionale per la ricerca in scienze e tecnologie digitali di Lione, in Francia.

Il Dr. Godin studia l’architettura delle piante modellando ipoteticamente l’evoluzione delle forme delle diverse specie in tre dimensioni. Si chiese quale modificazione genetica ci fosse dietro le spirali sfalsate del cavolfiore e i frattali logaritmici del Romanesco, una cultivar di cavolfiore che potrebbe quasi essere scambiata per un cristallo.

“Come fa la natura a costruire cose così inaspettate?” Chiesto. Quali potrebbero essere le regole dietro questo?

Quindici anni fa, il Dr. Godin ha incontrato François Barsi, un biologo vegetale presso il Centro nazionale per la ricerca scientifica a Grenoble, in Francia. In Dr. Parsi, il Dr. Godin conosceva il malvagio collega di Fractal Flowers.

«Non puoi non notare che è un ottimo ortaggio», ha detto il dottor Barsi, riferendosi al Romanesco.

Grazie alla passione di Brassica, il Dr. Godin e il Dr. Parsi hanno indagato il mistero genetico della geometria frattale sia nel cavolfiore romanesco che standard, evocando piante in modelli matematici e coltivandole anche nella vita reale. I loro risultati, che suggeriscono la formazione di frattali in risposta ai cambiamenti nelle reti di geni che regolano la crescita floreale, sono stati pubblicati giovedì in Scienza.

«È un’affascinante fusione di genetica da un lato e modelli rigorosi dall’altro», ha affermato Michael Boruganan, un biologo della New York University che non è stato coinvolto nella ricerca. «Stanno cercando di dimostrare che modificando le regole di interazione dei geni, è possibile ottenere cambiamenti drastici nella pianta».

All’inizio degli anni 2000, il dottor Parsi pensava di capire i broccoli. Ha anche insegnato lezioni di evoluzione floreale. «Cos’è il cavolfiore? Come può crescere? Perché ha quell’aspetto?», ha detto.

Il cavolfiore, come i cavoletti di Bruxelles, ha i gambi dei baccelli educazione selettiva Da Brassica oleracea. Gli esseri umani hanno allevato cavoletti di Bruxelles per le gemme laterali e i broccoli per i grappoli di fiori. Tuttavia, il cavolfiore non produce boccioli di fiori; Le infiorescenze, o boccioli di fiori, non maturano mai per produrre fiori. Invece, le cimette di cavolfiore generano repliche di se stesse a spirale, creando grappoli di cagliata come il formaggio vegano.

Quando i due ricercatori hanno discusso del cavolfiore, il Dr. Godin ha suggerito che se il Dr. Parsi avesse veramente capito la pianta, dovrebbe essere facile modellare l’evoluzione morfologica del vegetale. A quanto pare, non lo era.

I due incontrarono per la prima volta la palude coagulata sul tabellone e tracciarono varie reti genetiche che potevano spiegare come la pianta fosse mutata nella sua forma attuale. La loro ispirazione è stata l’Arabidopsis thaliana, un’erba ben studiata della stessa famiglia del cavolfiore e dei suoi numerosi cugini.

Se il cavolfiore ha un singolo cavolfiore alla base della pianta, allora l’Arabidopsis ha molte strutture simili al cavolfiore lungo il suo lungo gambo. Ma quali geni potrebbero raffinare questo cavolfiore più magro in un cavolfiore grande e compatto? E se identificano questi geni, possono spalmare questi cavolfiori nei picchi formati da Romanescus?

Per rispondere a queste domande, i ricercatori hanno ottimizzato la rete genetica e l’hanno attivata tramite modelli matematici, generandola in 3-D e mutandola nella vita reale. «Immagini qualcosa, ma finché non lo programmi non sai come sarà», ha detto il dottor Parsi.

(Nel corso della ricerca, il Dr. Barsi ha anche raccolto diversi campioni di Romanesco da un mercato contadino locale, li ha sequenziati e sezionati. Lui e i suoi colleghi hanno poi mangiato gli avanzi, spesso crudi con varie salse, insieme a bicchieri di birra.)

Ho fallito diversi prototipi e non assomiglia molto al cavolfiore. All’inizio, i ricercatori pensavano che la chiave del cavolfiore risiedesse nella lunghezza del gambo. Ma quando hanno programmato piante di Arabidopsis con e senza uno stelo corto, si sono resi conto che non avevano bisogno di ridurre le dimensioni del gambo del cavolfiore, né nei modelli 3D né nella vita reale.

E i broccoli che hanno simulato e coltivato semplicemente non erano abbastanza frattali. I modelli erano visibili solo su due scale frattali, come una spirale annidata in un altro vortice. Al contrario, il cavolfiore comune mostra spesso autosomiglianza su almeno sette scale frattali, il che implica una spirale incagliata in un’elica annidata in un vortice annidato in un vortice annidato in un vortice intermedio alla fine di un altro.

Quindi, invece di concentrarsi sullo stelo, si sono concentrati sul meristema, un’area di tessuto vegetale sulla punta di ogni stelo dove le cellule in divisione attiva producono nuova crescita. Hanno ipotizzato che rendere il meristema più grande avrebbe aumentato il numero di gemme prodotte.

L’unico problema era che i ricercatori non sapevano quale gene potesse controllare la frequenza di produzione del meristema.

Un giorno, Eugenio Azpetia, allora borsista post-dottorato nel laboratorio del Dr. Godin, si ricordò di un gene noto per modificare le dimensioni della regione centrale del meristema. I tre ricercatori si sono goduti un breve momento di euforia, poi hanno aspettato pazientemente per mesi che l’Arabidopsis appena modificata crescesse. Quando i boccioli germogliavano, avevano un cavolfiore con caratteristiche teste coniche.

«Ci ricorda molto quello che sta succedendo a Romanesco», ha detto con orgoglio il dottor Godin.

Normalmente, quando una pianta fa germogliare un fiore, la punta fiorita della pianta impedisce un’ulteriore crescita dallo stelo. La cagliata di cavolfiore è un bocciolo che è progettato per diventare un fiore ma non arriva mai, anzi lo butta via. Ma gli esperimenti dei ricercatori del meristema hanno scoperto che poiché questo germoglio ha attraversato una fase di fioritura transitoria, è esposto al gene che porta alla sua crescita. «Perché eri un fiore, sei libero di crescere e puoi sparare», ha detto il dottor Parsi.

Questo processo crea una reazione a catena in cui il meristema produce molti germogli che a loro volta creano molte gemme, attivando la geometria frattale del cavolfiore.

Non è un moncone normale», ha detto il dottor Goodin. «È una gamba senza foglia. Una gamba senza mente.»

«Questo è l’unico modo per fare il cavolfiore», ha detto il dottor Parsi.

I ricercatori affermano che probabilmente ci sono altre mutazioni responsabili della straordinaria forma di Romanesco. Ning Gu, un ricercatore del Beijing Vegetable Research Center che sta anche studiando il possibile meccanismo genetico alla base della struttura della cagliata di cavolfiore, afferma che il documento ha fornito «molta ispirazione».

«La storia non è ancora finita», ha detto il dottor Godin, aggiungendo che lui e il dottor Parsi continueranno a migliorare i loro modelli di cavolfiore. «Ma sappiamo di essere sulla strada giusta».

Ma dicono di essere aperti a studiare qualsiasi cosa, dai fiori.