Wissenschaftler entdecken, dass die chinesische Geldpflanze schon immer Geometrie betrieben hat

Menschen sehen oft vertraute Formen an zufälligen Orten. Vielleicht hast du schon einmal in den Wolken ein Segelboot, ein Seepferdchen oder sogar deine Großtante Rosemary erblickt, die dich anstarrt. Wissenschaftler nennen diese Neigung, in Zufälligkeiten bedeutungsvolle Muster zu erkennen, „Apophenie“. Aber in manchen Fällen sind diese Muster sehr real. Saket Navlakha, außerordentlicher Professor am Cold Spring Harbor Laboratory, untersucht die verborgenen Strukturen, die in der Natur auftauchen.

Eines der bekanntesten Beispiele für organisierte Musterbildung ist das Voronoi-Diagramm, ein geometrisches System, das den Raum um zentrale Punkte herum in separate Regionen unterteilt. Ein einfaches Beispiel wären Schulbezirke. Jeder Bezirk (Region) ist so angeordnet, dass die Schüler immer der ihnen zugewiesenen Schule (zentraler Punkt) am nächsten sind.

„Voronoi-Diagramme werden seit Jahrhunderten in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der Stadtplanung bis zum Netzwerkdesign“, sagt Navlakha.

Muster, die Voronoi-Diagrammen ähneln, sind oft in der Natur zu sehen, etwa die Flecken von Giraffen. Allerdings enthalten diese natürlichen Versionen normalerweise nicht die offensichtlichen zentralen Punkte, die in Lehrbuchbeispielen zu finden sind. Navlakha und die ehemalige Doktorandin Cici Zheng haben kürzlich eine seltene Ausnahme bei Pilea peperomioides, besser bekannt als chinesische Geldpflanze, identifiziert.

Die chinesische Geldpflanze ist eine mehrjährige Art, die in den chinesischen Provinzen Yunnan und Sichuan heimisch ist. Sie ist auch eine beliebte Zimmerpflanze, die oft als Geschenk gegeben wird. Ihre kreisförmigen Blätter enthalten auffällige Poren, sogenannte Hydathoden, die von netzartigen Venennetzen umgeben sind, die Wasser und Nährstoffe durch das Blatt transportieren.

Nachdem sie die Poren und Venen sorgfältig kartiert hatten, fanden Navlakha und Zheng heraus, dass die Blattstruktur auf natürliche Weise ein Voronoi-Muster bildet.

Um besser zu verstehen, wie sich das Muster entwickelt, arbeiteten die Forscher mit Przemysław Prusinkiewicz zusammen, einem international anerkannten Wissenschaftler auf dem Gebiet der Pflanzenvenenbildung. Gemeinsam identifizierten sie den „natürlichen Algorithmus“, der für die Entstehung der schlaufenförmigen Venen um die Poren in den Blättern verantwortlich ist.

„Genau wie Menschen Probleme lösen müssen, um zu überleben, gilt das auch für andere Organismen“, sagt Zheng, jetzt Postdoktorandin am Allen Institute. „Aber anders als Menschen können Pflanzen keine Entfernungen explizit messen! Stattdessen verlassen sie sich auf lokale biologische Interaktionen, um die gleiche Voronoi-Lösung zu erreichen.“

Die Entdeckung unterstreicht, wie lebende Organismen hochorganisierte Systeme ohne bewusste Planung oder Messung schaffen können.

„Wir betrachten diese Algorithmen in der Natur als eine Erklärung dafür, wie sich Organismen verhalten, und als einen Weg, die Welt zu verstehen“, sagt Navlakha. „Dieses Beispiel ist eine schöne Verschmelzung von klassischer Geometrie, moderner Pflanzenbiologie und Informatik.“

Prusinkiewicz sagt, die Erkenntnisse könnten endlich ein langjähriges wissenschaftliches Rätsel um die Bildung von Blattadern lösen.

„Es ist bemerkenswert, wie mathematisch sich ein weiterer Aspekt von Pflanzenform und -musterung erweist“, fügt Prusinkiewicz hinzu. „Jahrzehntelang blieb die Frage, wie netzartige Adern entstehen, offen, und endlich haben wir eine plausible Antwort“ in den Voronoi-Mustern der chinesischen Geldpflanze.

Navlakha und Zheng hoffen, dass zukünftige Studien dieser Muster mehr darüber enthüllen, wie Pflanzen komplizierte biologische Herausforderungen lösen. Sie glauben, dass die Arbeit Wissenschaftlern letztendlich helfen könnte, die mathematischen Prinzipien besser zu verstehen, die Evolution, Entwicklung und das Leben selbst formen.