Korzystając z teorii i eksperymentów, naukowcy pokazują, w jaki sposób jabłka uzyskują charakterystyczne cechy przypominające krawędzie – ScienceDaily

Jak rosną jabłka w tym charakterystycznym kształcie?

Teraz zespół matematyków i fizyków wykorzystał obserwacje, eksperymenty laboratoryjne, teorię i obliczenia, aby zrozumieć wzrost i kształt wierzchołka jabłka.

Artykuł ukazał się w: Fizyka przyrody.

L. Mahadevan, profesor matematyki stosowanej, biologii organicznej i ewolucyjnej oraz fizyki na Harvardzie Johna A. Inżynieria i nauki stosowane (SEAS) i starszy autor badania. „Te punkty ogniskowe mogą czasami przybierać formę osobliwości, w których identyfikowane są deformacje. Przykład pojawia się wszędzie w wierzchołku jabłka, wewnętrznym dołku, w którym szypułka styka się z owocem”.

Mahadevan opracował już prostą teorię wyjaśniającą kształt i wzrost jabłek, ale projekt zaczął przynosić owoce, gdy naukowcy byli w stanie połączyć obserwacje prawdziwych jabłek na różnych etapach wzrostu z eksperymentami z galaretką, aby naśladować wzrost wraz z teorią i obliczeniami.

Zespół badawczy rozpoczął od zebrania jabłek na różnych etapach wzrostu z sadu w Peterhouse College na Uniwersytecie Cambridge w Wielkiej Brytanii (matka słynnego miłośnika jabłek, Sir Isaaca Newtona).

Korzystając z tych jabłek, zespół zmapował wzrost dołka lub garbu, jak to nazywali, z biegiem czasu.

Aby zrozumieć ewolucję kształtu jabłka, a w szczególności wierzchołka, badacze zwrócili się do dawnej teorii matematycznej znanej jako teoria osobliwości. Teoria osobliwości jest używana do opisu szeregu różnych zjawisk, od czarnych dziur po bardziej zwyczajne przykłady, takie jak wzory światła na dnie basenu, rozpad kropel i propagacja pęknięć.

„Ekscytującą rzeczą w osobliwościach jest to, że są uniwersalne. Nie ma nic wspólnego między pióropuszami jabłek a wzorami światła w basenie lub kroplą oddzielającą się od słupa wody, a jednak przybiera ten sam kształt, co ty.” powiedział. Thomas Michaels, były stypendysta podoktorancki w SEAS i współautor artykułu, jest obecnie w University College London. „Koncepcja uniwersalności jest bardzo głęboka i może być bardzo przydatna, ponieważ dotyczy pojedynczych zjawisk obserwowanych w bardzo różnych układach fizycznych”.

Opierając się na tych ramach teoretycznych, naukowcy wykorzystali symulacje numeryczne, aby zrozumieć, w jaki sposób zróżnicowany wzrost skórki owoców i miazgi wpływa na formowanie się wierzchołków. Następnie potwierdzili symulacje eksperymentami symulującymi wzrost jabłek przy użyciu żelu, który pęcznieje z upływem czasu. Eksperymenty wykazały, że różne szybkości wzrostu między większą częścią jabłka a obszarem łodygi skutkowały wybrzuszeniem podobnym do dołeczka.

„Możliwość kontrolowania i ponownego uruchamiania formowania pojedynczego ganku w laboratorium za pomocą prostego zestawu narzędzi fizycznych była szczególnie ekscytująca” – powiedział Aditi Chakrabarti, SEAS Postdoctoral Fellow i współautor artykułu badawczego. „Różnorodność geometrii i składu galaretowatych pokazała, jak wiele balkonów tworzy się, co widać w niektórych rodzajach jabłek i innych, takich jak brzoskwinie, morele, wiśnie i śliwki”.

Zespół odkrył, że podstawowa anatomia owocu wraz z niestabilnością mechaniczną mogą odgrywać wspólną rolę w wywoływaniu wielu guzków w owocu.

„Morfologia, dosłownie pochodzenie kształtu, jest jednym z wielkich pytań w biologii” – powiedział Mahadevan. „Kształt skromnego jabłka pozwolił nam zbadać niektóre fizyczne aspekty osobliwości biologicznej. Oczywiście teraz musimy zrozumieć mechanizmy molekularne i komórkowe kryjące się za tworzeniem się wierzchołka, gdy powoli zbliżamy się do szerszej teorii osobliwości biologicznej. „

Te badania są współautorami Sifan Yin, odwiedzającego studenta z Uniwersytetu Tsinghua, i Erica Sun, byłego studenta w laboratorium.