Mönche hofften einst, Blei durch Alchemie in Gold zu verwandeln. Betrachten Sie stattdessen den Blumenkohl. Es braucht nur zwei Gene, um die gewöhnlichen Stängel, Stängel und Blüten der krautigen, geschmacklosen Art Brassica oleracea in eine so wunderbare Formation wie dieses fraktale, wolkenartige Gemüse zu verwandeln.
Dies ist die wahre Alchemie, sagt Christophe Godin, leitender Forscher am Nationalen Institut für Forschung in digitaler Wissenschaft und Technologie in Lyon, Frankreich.
Dr. Godin untersucht die Pflanzenarchitektur, indem er die Entwicklung der Formen verschiedener Arten in drei Dimensionen virtuell modelliert. Er fragte sich, welche genetischen Veränderungen hinter den ineinander verschachtelten Spiralen des Blumenkohls und den logarithmischen Chartreuse-Fraktalen von Romanesco lauerten, einer Blumenkohlsorte, die fast mit einem Kristall verwechselt werden konnte.
„Wie kann die Natur solche unerwarteten Objekte bauen?“ er hat gefragt. “Was können die Regeln dahinter sein?”
Vor 15 Jahren traf Dr. Godin François Parcy, einen Pflanzenbiologen am Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung in Grenoble, Frankreich. In Dr. Parcy erkannte Dr. Godin einen Mitmenschen für Fraktalblüten.
„Man kann auf keinen Fall bemerken, dass es sich um ein so herrliches Gemüse handelt“, sagte Dr. Parcy in Bezug auf Romanesco.
Beflügelt von einer Leidenschaft für Brassica erforschten Dr. Godin und Dr. Parcy das genetische Geheimnis der fraktalen Geometrie sowohl in Romanesco als auch in Standardblumenkohl, beschworen die Pflanzen in mathematischen Modellen und züchteten sie auch im wirklichen Leben. Ihre Ergebnisse, die darauf hindeuten, dass sich die Fraktale als Reaktion auf Veränderungen in den Netzwerken von Genen bilden, die die Blütenentwicklung steuern, werden am Donnerstag in Science veröffentlicht.
„Es ist eine so schöne Integration der Genetik einerseits und der rigorosen Modellierung andererseits“, sagte Michael Purugganan, ein Biologe an der New York University, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Sie versuchen zu zeigen, dass man durch die Optimierung der Regeln für die Interaktion von Genen dramatische Veränderungen an einer Pflanze erzielen kann.“
In den frühen 2000er Jahren glaubte Dr. Parcy, den Blumenkohl zu verstehen. Er unterrichtete sogar Kurse über die Blütenentwicklung. „Was ist ein Blumenkohl? Wie kann es wachsen? Warum sieht es so aus?” er sagte.
Blumenkohl stammt wie Rosenkohl aus jahrhundertelanger selektiver Züchtung von Brassica oleracea. Der Mensch züchtete Rosenkohl für seitliche Knospen und Blumenkohl für Blütentrauben. Blumenkohl produziert jedoch keine Blütenknospen; ihre Blütenstände oder blütentragenden Triebe reifen nie aus, um Blüten zu produzieren. Stattdessen erzeugen Blumenkohlblütenstände spiralförmige Nachbildungen ihrer selbst, wodurch Quarkcluster wie pflanzlicher Hüttenkäse entstehen.
Als die beiden Forscher über Blumenkohl diskutierten, schlug Dr. Godin vor, dass, wenn Dr. Parcy die Pflanze wirklich versteht, es einfach sein sollte, die morphologische Entwicklung des Gemüses zu modellieren. Wie sich herausstellte, war es das nicht.
Die beiden konfrontierten zuerst den geronnenen Sumpf auf der Tafel und skizzierten verschiedene Diagramme genetischer Netzwerke, die erklären könnten, wie das Gemüse in seine heutige Form mutierte. Ihre Muse war Arabidopsis thaliana, ein gut untersuchtes Unkraut aus derselben Familie wie Blumenkohl und seine vielen Cousins.
Wenn ein Blumenkohl einen einzelnen Blumenkohl an der Basis der Pflanze hat, hat Arabidopsis viele blumenkohlähnliche Strukturen entlang seines länglichen Stiels. Aber welche Gene könnten diesen kleinen Blumenkohl zu einem großen, kompakten Blumenkohl veredeln? Und wenn sie diese Gene identifizierten, könnten sie dann diesen Blumenkohl zu den Gipfeln verformen, die Romanescos bilden?
Um diese Fragen zu beantworten, würden die Forscher das Gennetzwerk optimieren und durch mathematische Modelle laufen lassen, es in 3D generieren und im wirklichen Leben mutieren. „Man stellt sich etwas vor, aber bis man es programmiert, weiß man nicht, wie es aussehen wird“, sagte Dr. Parcy.
(Im Laufe der Recherchen sammelte Dr. Parcy auch mehrere Exemplare von Romanesco von seinem örtlichen Bauernmarkt, sequenzierte und sezierte sie. Er und seine Kollegen assen dann die Reste, meist roh mit verschiedenen Dips, zusammen mit Gläsern Bier .)
Viele der ersten Modelle floppten und hatten wenig Ähnlichkeit mit Blumenkohl. Zunächst glaubten die Forscher, dass der Schlüssel zum Blumenkohl in der Länge des Stiels liegt. Aber als sie Arabidopsis mit und ohne kurzen Stiel programmierten, stellten sie fest, dass sie die Stielgröße des Blumenkohls weder in den 3D-Modellen noch im echten Leben reduzieren mussten.
Und die Blumenkohle, die sie simulierten und anbauten, waren einfach nicht fraktal genug. Die Muster waren nur auf zwei fraktalen Skalen sichtbar, beispielsweise bei einer Spirale, die in eine andere Spirale eingebettet ist. Im Gegensatz dazu zeigt ein normaler Blumenkohl oft Selbstähnlichkeit in mindestens sieben fraktalen Skalen, was bedeutet, dass eine Spirale in einer Spirale verschachtelt in einer Spirale verschachtelt in einer Spirale verschachtelt in einer Spirale verschachtelt in einer Spirale verschachtelt schließlich in einer anderen Spirale.
Anstatt sich auf den Stamm zu konzentrieren, konzentrierten sie sich auf das Meristem, eine Region des Pflanzengewebes an der Spitze jedes Stammes, in der sich aktiv teilende Zellen neues Wachstum erzeugen. Sie stellten die Hypothese auf, dass eine Vergrößerung des Meristems die Anzahl der produzierten Triebe erhöhen würde.
Das einzige Problem war, dass die Forscher nicht wussten, welches Gen das Tempo der Sprossproduktion des Meristems steuern könnte.
Eines Tages erinnerte sich Eugenio Azpeitia, damals Postdoktorand in Dr. Godins Labor, an ein Gen, von dem bekannt war, dass es die Größe der zentralen Zone des Meristems veränderte. Die drei Forscher genossen einen kurzen Moment der Euphorie und warteten dann monatelang geduldig auf das Wachstum ihrer neu modifizierten Arabidopsis. Wenn die Triebe keimten, hatten sie Blumenkohl mit ausgeprägten konischen Spitzen.
„Erinnert sehr an das, was im Romanesco passiert“, sagte Dr. Godin stolz.
Wenn eine Pflanze eine Blüte austreibt, verhindert die Blütenspitze der Pflanze normalerweise mehr Wachstum aus dem Stängel. Ein Blumenkohlquark ist eine Knospe, die entworfen wurde, um eine Blume zu werden, aber es nie bis dorthin schafft, sondern stattdessen einen Trieb bildet. Die Experimente der Forscher im Meristem ergaben jedoch, dass dieser Spross, da er ein vorübergehendes Blütenstadium durchlaufen hat, einem Gen ausgesetzt ist, das sein Wachstum auslöst. „Weil Sie eine Blume waren, können Sie frei wachsen und schießen“, sagte Dr. Parcy.
Dieser Prozess erzeugt eine Kettenreaktion, bei der das Meristem viele Triebe erzeugt, die wiederum viele weitere Triebe erzeugen und die fraktale Geometrie eines Blumenkohls nachahmen.
“Es ist kein normaler Stiel”, sagte Dr. Godin. „Es ist ein Stängel ohne Blatt. Ein Stamm ohne Hemmungen.“
„Das ist der einzige Weg, einen Blumenkohl zu machen“, sagte Dr. Parcy.
Die Forscher sagen, dass wahrscheinlich andere Mutationen für die spektakuläre Form von Romanesco verantwortlich sind. Ning Guo, ein Forscher am Beijing Vegetable Research Center, der auch den potenziellen genetischen Mechanismus hinter der Architektur des Blumenkohlquarks untersucht, sagt, das Papier habe “viel Inspiration” geboten.
„Die Geschichte ist noch nicht fertig“, sagte Dr. Godin und fügte hinzu, dass er und Dr. Parcy ihre Blumenkohlmodelle weiter verfeinern werden. “Aber wir wissen, dass wir auf dem richtigen Weg sind.”
Aber sie sind offen, alles zu studieren, was blüht.