Människor ser ofta bekanta former på slumpmässiga ställen. Kanske har du tittat på molnen och föreställt dig en segelbåt, en sjöhäst eller till och med din gammelfaster Rosemary som stirrar tillbaka på dig. Forskare kallar denna tendens att hitta meningsfulla mönster i slumpmässighet för "apofeni". Men i vissa fall är dessa mönster mycket verkliga. Cold Spring Harbor Laboratorys docent Saket Navlakha studerar de dolda strukturer som förekommer i naturen.

Ett av de mest kända exemplen på organiserad mönstring är Voronoi-diagrammet, ett geometriskt system som delar upp rymden i separata regioner runt centrala punkter. Ett enkelt exempel skulle vara skoldistrikt. Varje distrikt (region) är ordnat så att elever alltid är närmast den skola (central punkt) som tilldelats dem.

"Voronoi-diagram har använts i århundraden i en mängd olika tillämpningar, från stadsplanering till nätverksdesign," säger Navlakha.

Mönster som liknar Voronoi-diagram kan ofta ses i naturen, inklusive markeringarna på giraffer. Dessa naturliga versioner innehåller dock vanligtvis inte de uppenbara centrala punkter som finns i läroboksexempel. Navlakha och före detta doktoranden Cici Zheng identifierade nyligen ett sällsynt undantag i Pilea peperomioides, mer känd som kinesisk penningplanta.

Den kinesiska penningplantan är en flerårig art som är inhemsk i Kinas provinser Yunnan och Sichuan. Den är också en populär krukväxt som ofta ges som gåva. Dess runda blad innehåller märkbara porer som kallas hydatoder, vilka omges av slingrande ådernätverk som transporterar vatten och näringsämnen genom bladet.

Efter att noggrant ha kartlagt porerna och ådrorna fann Navlakha och Zheng att bladstrukturen naturligt bildar ett Voronoi-mönster.

För att bättre förstå hur mönstret utvecklas samarbetade forskarna med Przemysław Prusinkiewicz, en vetenskapsman internationellt erkänd för sitt arbete med växtåderbildning. Tillsammans identifierade de den "naturliga algoritm" som ansvarar för att skapa de slingrande ådrorna runt porerna i bladen.

"Precis som människor måste lösa problem för att överleva, gäller samma sak för andra organismer," säger Zheng, nu postdoktor vid Allen Institute. "Men till skillnad från människor kan växter inte explicit mäta avstånd! Istället förlitar de sig på lokala biologiska interaktioner för att uppnå samma Voronoi-lösning."

Upptäckten belyser hur levande organismer kan skapa mycket organiserade system utan medveten planering eller mätning.

"Vi ser dessa algoritmer i naturen som en förklaring till hur organismer kommer att bete sig och som ett sätt att försöka förstå världen," säger Navlakha. "Detta exempel är en fin sammansmältning av klassisk geometri, modern växtbiologi och datavetenskap."

Prusinkiewicz säger att fynden äntligen kan besvara en långvarig vetenskaplig gåta som rör bladåderbildning.

"Det är anmärkningsvärt hur matematisk ytterligare en aspekt av växtform och mönstring visar sig vara," tillägger Prusinkiewicz. "I årtionden har frågan om hur retikulära ådror bildas förblivit öppen, och äntligen har vi ett troligt svar" i kinesiska penningplantans Voronoi-mönster.

Navlakha och Zheng hoppas att framtida studier av dessa mönster kommer att avslöja mer om hur växter löser komplicerade biologiska utmaningar. De tror att arbetet så småningom kan hjälpa forskare att bättre förstå de matematiska principer som formar evolution, utveckling och livet självt.