На листья китайского денежного дерева природа нанесла диаграммы Вороного

Если долго смотреть на облака, можно увидеть парусник или котика. Или злую физиономию, если нет настроения. Людям свойственно замечать закономерности там, где их на самом деле нет. Эта особенность психики называется апофенией. Сакет Навлаха, доцент Лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, специализируется на поиске таких закономерностей в природе. Однажды он взглянул на китайское денежное дерево и увидел на его листьях диаграммы Вороного.

Диаграммы Вороного — это геометрические модели, которые используются для разбиения пространства на участки. У каждого участка есть свой заданный центральный объект. Например, если разделить город на школьные округа, диаграмма Вороного гарантирует, что все ученики внутри округа будут жить ближе к своей школе (центру), чем к любой другой. «Диаграммы Вороного веками применялись в самых разных областях — от городского планирования до проектирования сетей», — говорит Навлаха.

Узоры, похожие на диаграммы Вороного, в природе не редкость — взять хотя бы полоски на шкуре жирафа. Однако ключевое слово здесь — «похожие». Разница между классической диаграммой из учебника и тем, что мы видим в природе, в том, что в природном узоре обычно не хватает тех самых «школ», то есть видимых центров. А Pilea peperomioides, или китайское денежное дерево, оказалось исключением.

P. peperomioides — многолетник, произрастающий в китайских провинциях Юньнань и Сычуань. У него круглые плоские листья с заметными порами — гидатодами. Вокруг этих пор образуют петли сетчатые жилки, которые транспортируют воду и питательные вещества. Навлаха и его аспирантка Сиси Чжэн нанесли на карту расположение пор и жилок — и убедились: диаграммы Вороного. Об открытии они сообщили в журнале Nature Communications.

Исследователи обратились к всемирно известному ученому Пшемыславу Прусинкевичу, который десятилетиями изучает формирование жилок на листьях. Вместе они расшифровали «естественный алгоритм», который создает петлистые жилки вокруг центральных пор на листьях китайского денежного дерева.

«Как и людям, другим организмам для выживания приходится решать задачи. Но, в отличие от людей, растения не могут измерить расстояние напрямую! Вместо этого они полагаются на локальные биологические взаимодействия, чтобы прийти к тому же решению, которое дает диаграмма Вороного», — объясняет Чжэн, ныне постдок в Институте Аллена.

«Такие природные алгоритмы могут объяснить поведение организмов, а если брать шире — устройство мира. Этот пример — прекрасное слияние классической геометрии, современной биологии растений и информатики», — подчеркивает ее экс-руководитель.

«Поразительно, насколько математичной оказывается очередная деталь формы и структуры растений. Десятилетиями вопрос о том, как образуются сетчатые жилки, оставался открытым, и наконец у нас есть правдоподобный ответ», — добавляет Прусинкевич.

Навлаха и Чжэн надеются, что изучение этого феномена поможет понять, как растения решают сложные задачи в природе. Понимание этого, в свою очередь, может дать новый подход к осмыслению математических законов, лежащих в основе эволюции, развития и самой жизни.