Текст уведомления здесь

Томат растет математически оптимально

Коллектив ученых из Института биологических исследований Солка выяснил, что растения, формируя ветви, побеги и листья, выбирают наиболее оптимальный вариант, балансируя между расходами энергии и эффективностью доставки питательных веществ к ветвям.
Добавить в закладки
Комментарии

Транспортные системы, созданы ли они для перемещения людей или энергии, нуждаются в балансе стоимости и производительности. Например, метро должно быстро перевозить людей из пригородов в центр. Можно проложить ветку от каждого пригорода в центр, но это крайне дорого. С другой стороны, если стремиться только к удешевлению строительства, веток будет совсем мало и они будут короткие, так что многим горожанам будет трудно попасть в центр.

Ученые предположили, что такая логика работает и с растением. Основание стебля — это центр, а листья — пригороды, и питательные вещества должны перемещаться между ними эффективно, при этом расходуя как можно меньше энергии на дополнительные ветви.

В инженерии подобные компромиссы обозначаются на графике кривой, которую называют фронтом Парето. Один ее конец представляет очень дешевую систему с очень низкой производительностью, другая — наоборот, очень дорогую, но высокопроизводительную систему. Между ними находятся промежуточные значения с разным соотношением того и другого. Состояние, при котором ни один из параметров нельзя улучшить без ущерба другому, называется оптимальностью по Парето.

В эксперименте ученые определили стоимость как общую длину ветвей (так как они забирают энергию и ресурсы у растения). А производительность — как сумму расстояний от основания растения к каждому листу, потому что это отражает, как далеко должны идти питательные вещества и вода, чтобы перемещаться от корня к листьям.

Затем команда вырастила в условиях, приближенных к естественным, три растения — сорго, томат и табак. В течение периода роста ученые делали 3D-снимки растений, а по ним вычислили координаты основания и листьев у каждого растения, на основе которых построили математические модели. Затем растения разместили на графике в зависимости от их общей длины ветвей и расстояний, на которые перемещаются питательные вещества.

Пример кривой Парето. Для совместного производства Х и Y вся граница эффективна по Парето. Оранжевый участок более эффективен по Парето, чем точка А.

Пример кривой Парето. Для совместного производства Х и Y вся граница эффективна по Парето. Оранжевый участок более эффективен по Парето, чем точка А.

Выяснилось, что модели растений почти полностью попадали на кривую Парето, в промежуток наибольшей эффективности. Это значит, что они достигли оптимального соотношения между стоимостью и производительностью.

«Наша гипотеза была в том, что если общая длина ветвей и расстояние от основания до них были важным эволюционным критерием для растений, то существовало эволюционное давление, которое бы вело к наиболее удачному компромиссу между стоимостью и производительностью. Это и произошло», — пояснил Уллас Педмэйл, один из участников проекта.

Это исследование обнаруживает новый принцип роста и адаптации растений и поднимает новые вопросы о молекулярных механизмах, управляющие формированием их частей, которые ученые продолжат исследовать.

Исследование опубликовано в журнале Cell Systems.

Ранее английские и японские биологи уже выявили ген, который помогает растениям расти в ту сторону, где находится вода.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы