Ludzie często dostrzegają znajome kształty w przypadkowych miejscach. Może patrzyłeś na chmury i wyobrażałeś sobie żaglówkę, konika morskiego, a nawet swoją ciotkę Różę wpatrującą się w ciebie. Naukowcy nazywają tę tendencję do znajdowania znaczących wzorców w przypadkowości „apofrenią”. Ale w niektórych przypadkach te wzorce są bardzo realne. Profesor nadzwyczajny Cold Spring Harbor Laboratory, Saket Navlakha, bada ukryte struktury pojawiające się w przyrodzie.

Jednym z najbardziej znanych przykładów zorganizowanego wzorca jest diagram Woronoja, system geometryczny dzielący przestrzeń na oddzielne regiony wokół punktów centralnych. Prostym przykładem byłyby okręgi szkolne. Każdy okręg (region) jest tak zorganizowany, aby uczniowie byli zawsze najbliżej przypisanej im szkoły (punktu centralnego).

„Diagramy Woronoja są używane od wieków w różnych zastosowaniach, od planowania miast po projektowanie sieci” – mówi Navlakha.

Wzory przypominające diagramy Woronoja często można zobaczyć w przyrodzie, w tym na cętkowaniu żyraf. Jednak te naturalne wersje zazwyczaj nie zawierają oczywistych punktów centralnych, które występują w podręcznikowych przykładach. Navlakha i była studentka studiów doktoranckich Cici Zheng niedawno zidentyfikowali rzadki wyjątek u Pilea peperomioides, lepiej znanej jako chińska roślina pieniężna.

Chińska roślina pieniężna to gatunek wieloletni pochodzący z chińskich prowincji Junnan i Syczuan. Jest również popularną rośliną doniczkową często wręczaną w prezencie. Jej okrągłe liście zawierają widoczne pory zwane hydatodami, które są otoczone pętlowymi sieciami żył przemieszczających wodę i składniki odżywcze przez liść.

Po dokładnym zmapowaniu porów i żył Navlakha i Zheng odkryli, że struktura liścia naturalnie tworzy wzór Woronoja.

Aby lepiej zrozumieć, jak rozwija się ten wzór, naukowcy nawiązali współpracę z Przemysławem Prusinkiewiczem, naukowcem uznawanym na arenie międzynarodowej za prace nad tworzeniem się żył roślinnych. Razem zidentyfikowali „naturalny algorytm” odpowiedzialny za tworzenie pętlowych żył wokół porów w liściach.

„Tak jak ludzie muszą rozwiązywać problemy, aby przetrwać, tak samo inne organizmy” – mówi Zheng, obecnie stażystka podoktorska w Allen Institute. „Ale w przeciwieństwie do ludzi, rośliny nie mogą mierzyć odległości! Zamiast tego polegają na lokalnych interakcjach biologicznych, aby osiągnąć to samo rozwiązanie Woronoja”.

Odkrycie podkreśla, jak żywe organizmy mogą tworzyć wysoce zorganizowane systemy bez świadomego planowania czy pomiaru.

„Myślimy o tych algorytmach w przyrodzie jako o wyjaśnieniu, jak organizmy będą się zachowywać i jako o sposobie na zrozumienie świata” – mówi Navlakha. „Ten przykład to miłe połączenie klasycznej geometrii, nowoczesnej biologii roślin i informatyki”.

Prusinkiewicz twierdzi, że odkrycia mogą wreszcie rozwiązać długoletnią naukową zagadkę dotyczącą tworzenia się żył liściowych.

„To niezwykłe, jak matematyczny okazuje się kolejny aspekt formy i wzorca roślin” – dodaje Prusinkiewicz. „Przez dziesięciolecia pytanie o to, jak tworzą się żyły siateczkowate, pozostawało otwarte, i wreszcie mamy wiarygodną odpowiedź” w wzorcach Woronoja chińskiej rośliny pieniężnej.

Navlakha i Zheng mają nadzieję, że przyszłe badania tych wzorców ujawnią więcej o tym, jak rośliny rozwiązują skomplikowane wyzwania biologiczne. Wierzą, że praca może ostatecznie pomóc naukowcom lepiej zrozumieć matematyczne zasady kształtujące ewolucję, rozwój i samo życie.