בעין הבלתי מאומנת, נראה כי צמחים צומחים בצורה אימפולסיבית, ויוצאים עלים באופן אקראי ליצירת טלטול ירוק אחד גדול. עם זאת, התבונן מקרוב ותגלה שכמה תבניות רגילות באופן מוזר צצות בכל רחבי הטבע הטבעי, החל מהסימטריה המאוזנת של יורה במבוק וכלה בספירלות המהפנטות של בשרניים.
למעשה, דפוסים אלה מספיק עקביים כך שמתמטיקה קרה וקשה יכולה לחזות צמיחה אורגנית בצורה די טובה. אחת ההנחות שהייתה מרכזית בחקר פילוטקסיס, או דפוסי עלים, היא שהעלים מגנים על המרחב האישי שלהם. על בסיס הרעיון שעלים קיימים כבר משפיעים מעכבים על חדשים, ומעניקים אות למנוע מאחרים לצמוח בקרבת מקום, מדענים יצרו דגמים שיכולים לשחזר בהצלחה רבים מהעיצובים הנפוצים של הטבע. רצף פיבונאצ'י המרתק תמיד, למשל, מופיע בכל דבר, החל מסידורי זרעי חמניות ועד פגזי נאוטילוס ועד קונוסים. הקונצנזוס הנוכחי הוא שתנועות הורמון הגדילה אוקסין והחלבונים המובילים אותו לאורך צמח אחראים לדפוסים כאלה.
סידור עלים עם עלה אחד לכל צומת נקרא פילוטקסיס חלופי, ואילו סידור עם שני עלים או יותר לכל צומת נקרא פילוטקסיס מסובך. סוגים אלטרנטיביים נפוצים הם פילוטקסיס (במבוק) ופילוטקסיס ספירלית פיליבאצ'י (אלוורה הספירלית הסוקולארית), וסוגי הסוערים הנפוצים הם פילוטקסיס מוחק (בזיליקום או נענע) ופילוטקסיס משולשת ( הרדוף נריום, המכונה לעיתים דוגנבנה). (טאקאקי יונקורה תחת CC-BY-ND) עם זאת, סידורי עלים מסוימים ממשיכים לגמוע דגמים פופולריים לגידול צמחים, כולל משוואות Douady ו- Couder (המכונות DC1 ו- DC2) ששלטו מאז שנות ה -90. צוות שהובל על ידי חוקרים מאוניברסיטת טוקיו חקר שיח המכונה אוריקסה ג'פוניקה מצא כי משוואות קודמות לא יכלו לשחזר את המבנה החריג של הצמח, ולכן החליטו לחשוב מחדש על הדגם עצמו. המודל המעודכן שלהם, המתואר במחקר חדש שנערך בביולוגיה חישובית של PLOS, לא רק משחזר את התבנית שפעם הייתה חמקמקה, אלא גם עשוי לתאר סידורים אחרים ושכיחים יותר טוב יותר מהמשוואות הקודמות, טוענים המחברים.
"ברוב הצמחים, לדפוסים הפילוטקטיים יש סימטריה - סימטריה ספירלית או סימטריה רדיאלית", אומר הפיזיולוג של אוניברסיטת טוקיו, מונטקה סוגיאמה, מחבר בכיר למחקר החדש. "אבל בצמח המיוחד הזה, אוריקסה ג'פוניקה, התבנית הפילוטקטית אינה סימטרית, וזה מאוד מעניין. לפני למעלה מעשר שנים עלה לי רעיון שכמה שינויים בכוחו המעכב של כל ראשית עלים עשויים להסביר את התבנית המוזרה הזו. "
בוטנאים משתמשים בזוויות הסטייה, או בזוויות בין עלים עוקבים, כדי להגדיר את הפילוטקסיס של הצמח. בעוד שרוב דפוסי סידור העלים שומרים על זווית סטייה קבועה, שיח O. japonica, שמוצא יפן וחלקים אחרים במזרח אסיה, מגדל עלים בסדרה מתחלפת של ארבע זוויות חוזרות: 180 מעלות, 90 מעלות, 180 מעלות שוב, ואז 270 מעלות.
שיח אוריקסה ג'פוניקה עם זוויות הסטייה השונות של העלים נראות. (Qwert1234 דרך Wikicommons תחת CC BY-SA 4.0) תבנית זו, אותה כינו החוקרים פילוטקסיס "אורקסייט", איננה רק אנומליה חד פעמית, שכן צמחים ממוניות אחרות (כמו פרח "פוקר אדום-חם" Kniphofia uvaria, או הודו של הדס קרפ Lagerstroemia ) מחליפים את העלים שלהם באותו רצף מסובך. מכיוון שסידור העלים צץ בנקודות שונות על העץ האבולוציוני, הסיקו המחברים כי הדמיון נבע ממנגנון נפוץ שהצדיק מחקר נוסף.
לאחר בדיקת משוואות Douady and Couder עם פרמטרים שונים, המחברים יכלו לייצר דפוסים שהיו קרובים לסידור האוריינטציה המתחלף, אך אף אחד מהצמחים המדומים לא תאם באופן מושלם לדגימות ה- O. japonica שהם גזרו ולמדו. אז הצוות בנה מודל חדש על ידי הוספת משתנה נוסף למשוואות Douady and Couder: גיל העלים. מודלים לשעבר הניחו שכוחם המעכב של העלים נשאר זהה לאורך זמן, אך קבוע זה לא היה "טבעי מבחינת הביולוגיה", אומר סוגיאמה. במקום זאת, הצוות של סוגיאמה איפשר את האפשרות שחוזק האותות ה"מרחקים "הללו השתנה עם הזמן.
המודלים שהתקבלו - אליהם מתייחס הצוות כמודלים מורחבים של Douady ו- Couder, EDC1 ו- EDC2 - הצליחו לשחזר באמצעות צמיחה ממוחשבת את סידורי העלים המורכבים של O. japonica . מעבר למיצג זה, המשוואות המורחבות ייצרו גם את כל דפוסי העלווה הנפוצים האחרים וחזו את התדרים הטבעיים של זנים אלה בצורה מדויקת יותר מדגמים קודמים. במיוחד במקרה של צמחים בדוגמת ספירלה, דגם ה- EDC2 החדש ניבא את "הדומיננטיות העל" של ספירלת פיבונאצ'י לעומת סידורים אחרים, בעוד שדגמים קודמים לא הצליחו להסביר מדוע נראה שצורה מסוימת זו מופיעה בכל מקום בטבע.
"המודל שלנו, EDC2, יכול לייצר תבניות אורקסייט בנוסף לכל סוגי הפילוטקסיס העיקריים. ברור שזה יתרון על פני הדגם הקודם, "אומר סוגיאמה. "EDC2 גם מתאים יותר להופעה הטבעית של דפוסים שונים."
עלים על ענף אוריקסה ג'פוניקה (משמאל למעלה) ותרשים סכמטי של פילוטקסיס אורקסייט (מימין). התבנית האוריינטית מציגה שינוי ייחודי של ארבעה מחזורים של הזווית בין העלים. תמונת מיקרוסקופ אלקטרונית סורקת (מרכז ושמאל למטה) מציגה את ניצן החורף של O. japonica, שם העלים מתחילים לצמוח לראשונה. העלים הקדומים מסומנים ברצף עם העלה העתיק ביותר כ- P8 והעלה הצעיר ביותר כ- P1. התווית O מסמנת את קצה הצילום. (טאקאקי יונקורה / אקיטושי איוומוטו / מונטקה סוגיאמה תחת CC-BY) המחברים עדיין לא יכולים להסיק מה בדיוק גורם לגיל העלים להשפיע על דפוסי הגידול הללו, אם כי סוגיאמה משער כי ייתכן שזה קשור לשינויים במערכת הובלת האוקסין במהלך התפתחות הצמח.
תעלומות כאלה יכולות להיפתר על ידי "הדחיפה והמשיכה" בין מודלים חישוביים וניסויי מעבדה, אומרת קירה מרטינז, ביולוגית חישובית שלא הייתה מעורבת במחקר. מודל הכותבים מספק שלב מרגש לקראת הבנה טובה יותר של פילוטקסיס ומותיר מקום לבוטנאים אחרים למלא את החסר עם דיסקציה וניתוח של צמחים.
"עם דגמים, למרות שאולי לא נדע עדיין את המנגנון המדויק, לפחות נותנים לנו רמזים חזקים לגבי מה לחפש", אומר מרטינז בהודעת דוא"ל. "עכשיו עלינו להסתכל מקרוב על המנגנונים המולקולריים בצמחים אמיתיים כדי לנסות ולגלות מה המודל חוזה."
מבט מלמעלה למטה של דפוסי סידור העלים בפילוטקסיס "אוריינט" כעלים חדשים (חצי עיגולים אדומים) נוצרים מהקצה הצילום (עיגול שחור מרכזי) וצומחים כלפי חוץ. (טאקאקי יונקורה תחת CC-BY-ND) הצוות של סוגיאמה פועל לשכלל את המודל שלהם עוד יותר ולקבל אותו לייצר את כל הדפוסים הפילוטקטיים הידועים. תבנית עלים "מסתורית" אחת, ספירלה עם זווית סטיות זעירה, עדיין מתחמקת מחיזוי חישובי, אם כי סוגיאמה חושבת שהם קרובים לפיצוח הקוד העלים.
"אנחנו לא חושבים שהמחקר שלנו מועיל לחברה באופן מעשי", אומר סוגיאמה. "אבל אנו מקווים שזה יתרום להבנתנו את היופי הסימטרי בטבע."
