사람들은 종종 무작위적인 장소에서 친숙한 모양을 발견하곤 한다. 아마도 당신은 구름을 보고 범선, 해마, 혹은 당신의 고모 로즈메리가 당신을 응시하는 모습을 상상해 본 적이 있을 것이다. 과학자들은 무작위성에서 의미 있는 패턴을 찾는 이러한 경향을 '아포페니아(apophenia)'라고 부른다. 하지만 어떤 경우에는 그 패턴이 매우 실제적이다. Cold Spring Harbor Laboratory의 부교수 Saket Navlakha는 자연 전반에 나타나는 숨겨진 구조를 연구한다.
조직화된 패턴의 가장 잘 알려진 예 중 하나는 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)으로, 중심점 주변의 공간을 별도의 영역으로 나누는 기하학적 시스템이다. 간단한 예로 학군을 들 수 있다. 각 학군(영역)은 학생들이 항상 자신에게 배정된 학교(중심점)에 가장 가깝도록 배열된다.
"보로노이 다이어그램은 도시 계획에서 네트워크 설계에 이르기까지 수세기 동안 다양한 응용 분야에서 사용되어 왔습니다,"라고 Navlakha는 말한다.
보로노이 다이어그램과 유사한 패턴은 기린의 무늬를 포함하여 자연에서 자주 볼 수 있다. 그러나 이러한 자연 버전에는 일반적으로 교과서 예제에서 발견되는 명확한 중심점이 포함되어 있지 않다. Navlakha와 전직 대학원생 Cici Zheng은 최근 Pilea peperomioides, 더 잘 알려진 중국 돈벤 식물(Chinese money plant)에서 드문 예외를 확인했다.
중국 돈벤 식물은 중국 윈난성과 쓰촨성 원산의 다년생 식물이다. 또한 선물로 자주 주어지는 인기 있는 관엽식물이다. 둥근 잎에는 수분과 영양분을 잎 전체로 이동시키는 고리 모양의 맥 네트워크로 둘러싸인 눈에 띄는 기공인 수공(hydathodes)이 있다.
기공과 맥을 주의 깊게 매핑한 후, Navlakha와 Zheng은 잎 구조가 자연스럽게 보로노이 패턴을 형성한다는 것을 발견했다.
패턴이 어떻게 발달하는지 더 잘 이해하기 위해 연구자들은 식물 맥 형성 연구로 국제적으로 인정받는 과학자 Przemysław Prusinkiewicz와 협력했다. 함께 그들은 잎의 기공 주변에 고리 모양의 맥을 만드는 '자연 알고리즘'을 확인했다.
"인간이 생존하기 위해 문제를 해결해야 하는 것처럼, 다른 유기체도 마찬가지입니다,"라고 현재 Allen Institute에서 박사후 연구원인 Zheng은 말한다. "하지만 인간과 달리, 식물은 거리를 명시적으로 측정할 수 없습니다! 대신, 그들은 동일한 보로노이 해결책을 달성하기 위해 국소적인 생물학적 상호작용에 의존합니다."
이 발견은 살아있는 유기체가 의식적인 계획이나 측정 없이도 어떻게 고도로 조직화된 시스템을 만들 수 있는지 강조한다.
"우리는 자연의 이러한 알고리즘을 유기체가 어떻게 행동할지에 대한 설명이자 세상을 이해하려는 방법으로 생각합니다,"라고 Navlakha는 말한다. "이 예는 고전 기하학, 현대 식물 생물학, 그리고 컴퓨터 과학의 멋진 결합입니다."
Prusinkiewicz는 이 발견이 마침내 잎 맥 형성에 관한 오랜 과학적 미스터리를 해결할 수 있다고 말한다.
"식물의 형태와 패턴의 또 다른 측면이 얼마나 수학적인지 놀랍습니다,"라고 Prusinkiewicz는 덧붙인다. "수십 년 동안 그물 모양의 맥이 어떻게 형성되는지에 대한 질문은 미해결 상태로 남아 있었고, 마침내 중국 돈벤 식물의 보로노이 패턴에서 그럴듯한 답을 얻었습니다."
Navlakha와 Zheng은 이러한 패턴에 대한 향후 연구가 식물이 어떻게 복잡한 생물학적 과제를 해결하는지 더 많이 밝혀내길 희망한다. 그들은 이 연구가 궁극적으로 과학자들이 진화, 발달, 그리고 생명 자체를 형성하는 수학적 원리를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있다고 믿는다.