Mensen zien vaak bekende vormen in willekeurige plekken. Misschien heb je wel eens naar de wolken gekeken en een zeilboot, een zeepaardje of zelfs je oudtante Rosemary verbeeld die terugstaart. Wetenschappers noemen deze neiging om betekenisvolle patronen te vinden in willekeur 'apofenie'. Maar in sommige gevallen zijn die patronen heel echt. Cold Spring Harbor Laboratory Associate Professor Saket Navlakha bestudeert de verborgen structuren die overal in de natuur voorkomen.

Een van de bekendste voorbeelden van georganiseerde patronen is het Voronoi-diagram, een geometrisch systeem dat ruimte verdeelt in aparte regio's rond centrale punten. Een simpel voorbeeld zijn schooldistricten. Elk district (regio) is zo ingedeeld dat leerlingen altijd het dichtst bij de school (centraal punt) zijn die aan hen is toegewezen.

"Voronoi-diagrammen worden al eeuwenlang gebruikt in uiteenlopende toepassingen, van stadsplanning tot netwerkontwerp," zegt Navlakha.

Patronen die lijken op Voronoi-diagrammen zijn vaak te zien in de natuur, zoals de vlekken op giraffen. Deze natuurlijke versies bevatten echter meestal niet de duidelijke centrale punten die in leerboekvoorbeelden voorkomen. Navlakha en voormalig promovendus Cici Zheng hebben onlangs een zeldzame uitzondering geïdentificeerd in Pilea peperomioides, beter bekend als de Chinese geldplant.

De Chinese geldplant is een meerjarige soort die oorspronkelijk uit de Chinese provincies Yunnan en Sichuan komt. Het is ook een populaire kamerplant die vaak als cadeau wordt gegeven. De ronde bladeren bevatten opvallende poriën, hydathoden genaamd, die worden omringd door lussende adernetwerken die water en voedingsstoffen door het blad verplaatsen.

Na het zorgvuldig in kaart brengen van de poriën en aderen ontdekten Navlakha en Zheng dat de bladstructuur van nature een Voronoi-patroon vormt.

Om beter te begrijpen hoe het patroon zich ontwikkelt, werkten de onderzoekers samen met Przemysław Prusinkiewicz, een wetenschapper die internationaal erkend wordt voor zijn werk aan plantenadervorming. Samen identificeerden ze het 'natuurlijke algoritme' dat verantwoordelijk is voor het creëren van de lussende aderen rond de poriën in de bladeren.

"Net zoals mensen problemen moeten oplossen om te overleven, geldt dat ook voor andere organismen," zegt Zheng, nu postdoc bij het Allen Institute. "Maar in tegenstelling tot mensen kunnen planten niet expliciet afstanden meten! In plaats daarvan vertrouwen ze op lokale biologische interacties om dezelfde Voronoi-oplossing te bereiken."

De ontdekking benadrukt hoe levende organismen zeer georganiseerde systemen kunnen creëren zonder bewuste planning of meting.

"We beschouwen deze algoritmen in de natuur als een verklaring voor hoe organismen zich gedragen en als een manier om de wereld te begrijpen," zegt Navlakha. "Dit voorbeeld is een mooie samensmelting van klassieke meetkunde, moderne plantenbiologie en informatica."

Prusinkiewicz zegt dat de bevindingen eindelijk een langdurig wetenschappelijk mysterie rond bladadervorming kunnen oplossen.

"Het is opmerkelijk hoe wiskundig nog een ander aspect van plantvorm en -patronering blijkt te zijn," voegt Prusinkiewicz toe. "Decennialang bleef de vraag hoe netvormige aderen ontstaan onbeantwoord, en eindelijk hebben we een aannemelijk antwoord" in de Voronoi-patronen van Chinese geldplanten.

Navlakha en Zheng hopen dat toekomstige studies van deze patronen meer zullen onthullen over hoe planten complexe biologische uitdagingen oplossen. Ze geloven dat het werk uiteindelijk wetenschappers kan helpen de wiskundige principes beter te begrijpen die evolutie, ontwikkeling en het leven zelf vormgeven.