Люди часто видят знакомые формы в случайных местах. Возможно, вы смотрели на облака и представляли парусник, морского конька или даже свою двоюродную бабушку Розмари, глядящую на вас. Ученые называют эту склонность находить осмысленные паттерны в случайности «апофенией». Но в некоторых случаях эти паттерны вполне реальны. Сакет Навлакха, доцент Лаборатории Колд-Спринг-Харбор, изучает скрытые структуры, которые встречаются в природе.

Один из самых известных примеров организованного узора — диаграмма Вороного, геометрическая система, которая делит пространство на отдельные области вокруг центральных точек. Простой пример — школьные округа. Каждый округ (область) устроен так, чтобы ученики всегда были ближе всего к назначенной им школе (центральной точке).

«Диаграммы Вороного веками использовались в самых разных приложениях, от городского планирования до проектирования сетей», — говорит Навлакха.

Узоры, напоминающие диаграммы Вороного, часто можно увидеть в природе, включая пятна на жирафах. Однако в этих природных версиях обычно нет очевидных центральных точек, как в учебниках. Навлакха и бывшая аспирантка Сиси Чжэн недавно обнаружили редкое исключение у Pilea peperomioides, более известной как китайское денежное дерево.

Китайское денежное дерево — многолетний вид, родом из китайских провинций Юньнань и Сычуань. Это также популярное комнатное растение, которое часто дарят. Его круглые листья содержат заметные поры, называемые гидатодами, которые окружены петляющими сетями жилок, перемещающих воду и питательные вещества по листу.

Тщательно нанеся на карту поры и жилки, Навлакха и Чжэн обнаружили, что структура листа естественным образом образует узор Вороного.

Чтобы лучше понять, как развивается этот узор, исследователи объединились с Пшемыславом Прусинкевичем, ученым, международно признанным за его работу по формированию жилок растений. Вместе они определили «естественный алгоритм», ответственный за создание петляющих жилок вокруг пор в листьях.

«Так же, как люди должны решать проблемы, чтобы выжить, то же самое касается и других организмов», — говорит Чжэн, ныне постдок в Институте Аллена. «Но в отличие от людей, растения не могут явно измерять расстояния! Вместо этого они полагаются на локальные биологические взаимодействия, чтобы достичь того же решения Вороного».

Открытие подчеркивает, как живые организмы могут создавать высокоорганизованные системы без сознательного планирования или измерений.

«Мы думаем об этих алгоритмах в природе как об объяснении того, как организмы будут вести себя, и как о способе попытаться осмыслить мир», — говорит Навлакха. «Этот пример — прекрасное слияние классической геометрии, современной биологии растений и компьютерных наук».

Прусинкевич говорит, что результаты могут наконец ответить на давнюю научную загадку, касающуюся формирования жилок листьев.

«Замечательно, насколько математическим оказывается еще один аспект формы и узора растений», — добавляет Прусинкевич. «Десятилетиями вопрос о том, как образуются сетчатые жилки, оставался открытым, и наконец у нас есть правдоподобный ответ» в узорах Вороного китайского денежного дерева.

Навлакха и Чжэн надеются, что будущие исследования этих узоров раскроют больше о том, как растения решают сложные биологические задачи. Они считают, что работа может в конечном итоге помочь ученым лучше понять математические принципы, формирующие эволюцию, развитие и саму жизнь.