植物和大腦之間比你所認為的更為相似：索爾克科學(xué)家發(fā)現(xiàn)管控植物生長的數(shù)學(xué)規(guī)則類似于大腦細胞發(fā)育連接的方式。這一新工作基于植物三維激光掃描數(shù)據(jù)，表明很多生物系統(tǒng)中可能存在調(diào)節(jié)分枝生長的通用邏輯規(guī)則。該研究已發(fā)表在7月6日的當(dāng)代生物學(xué)雜志上。
索爾克綜合生物學(xué)中心助理教授、論文資深作者Saket Navlakha說道：“我們這一項目是受到‘雖然植物形式多種多樣，但是否存在共通的某種形式或者結(jié)構(gòu)呢’這一問題啟發(fā)的。我們發(fā)現(xiàn)的確存在，并且驚人的是，分枝在空間中的分布變化可以在數(shù)學(xué)上被高斯函數(shù)所描述，這也被稱為正態(tài)分布?！?span style="display:none">DmE菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時不關(guān)機的云端電腦_云主機_VPS掛機寶_免費掛機寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
植物無法移動，因此必須尋求創(chuàng)新策略調(diào)整自身架構(gòu)來處理環(huán)境挑戰(zhàn)，比如被鄰居遮住了。植物形式多種多樣，從高聳的紅杉到匍匐的百里香，這些多樣性就是上述策略的可見表征，但Navlakha想知道是否存在某些未被發(fā)現(xiàn)的組織原則在起作用。為此，他的團隊利用高精度三維激光掃描技術(shù)測定幼年植物隨時間推移的結(jié)構(gòu)變化，量化其生長，使得能進行數(shù)學(xué)分析。
植物分子和細胞生物學(xué)實驗室主任、霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員、論文共同作者Joanne Chory教授說道：“這一合作是源于Saket來到索爾克后不久和我的一次談話。多虧了索爾克的創(chuàng)新資助項目和霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究所，我們才有了這一發(fā)現(xiàn)?！?span style="display:none">DmE菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時不關(guān)機的云端電腦_云主機_VPS掛機寶_免費掛機寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
該團隊從三種農(nóng)作物入手：高粱、西紅柿以及煙草。研究者播下種子，并創(chuàng)造植物可能經(jīng)歷的自然環(huán)境(陰影，環(huán)境光，高光，高溫以及干旱)，培育這些植物。第一作者Adam Conn每隔一個月就花幾天掃描每株植物，數(shù)字化其生長。Conn總共掃描了近600株植物。
Conn說道：“我們掃描植物的方式基本就像是你掃描一張紙那樣。但在本研究中，這一技術(shù)是三維的，使我們能夠捕捉植物的完全形式，即植物在空間中生長和分布枝條的完整結(jié)構(gòu)。”
每株植物的數(shù)字表征被稱為點云，即可以被計算分析的空間中三維坐標(biāo)集合。利用這些新數(shù)據(jù)，研究團隊通過研究植物的分枝密度函數(shù)建立了理論上可能的植物形狀的統(tǒng)計描述。分枝密度函數(shù)表示了在植物附近空間中任一點發(fā)現(xiàn)枝條的可能性。
這一模型揭示了生長的三個性質(zhì)：可分性、自相似性以及高斯分枝密度函數(shù)?？煞中砸馕吨谝粋€空間方向的生長獨立于另一個方向的生長。據(jù)Navlakha稱，這一性質(zhì)意味著生長十分簡單和模塊化，這可能使得植物更能適應(yīng)環(huán)境變化。自相似性意味著所有植物都具有相同的根本形狀，即使某些植物可能在某個方向稍微拉伸了一點，或者在另一個方向長得多了點。換言之，陰影下植物的生長統(tǒng)計規(guī)則與明亮陽光下并無不同。最后，團隊發(fā)現(xiàn)，無論植物是何種類或者處于何種生長條件，分枝密度數(shù)據(jù)都服從在植物邊界截斷的高斯分布?；旧?，這就是說植物中心附近的分枝最為密集，越遠就越少，服從鐘形曲線。
這些性質(zhì)所表明的高層次進化效率令人吃驚。即使在不同類型環(huán)境條件下進化出不同的生長規(guī)則對于植物而言是低效的，但研究者也沒有期望過發(fā)現(xiàn)植物只服從一種函數(shù)形式，達到如此有效的地步。這一研究中鑒定的性質(zhì)也許能幫助研究者評估基因工程作物的新策略。
這一論文的作者之一、索爾克分子神經(jīng)生物學(xué)實驗室Charles Stevens教授在先前的工作中，在腦部神經(jīng)元中發(fā)現(xiàn)了相同的三條數(shù)學(xué)性質(zhì)。Stevens說道：“神經(jīng)元和植物之間的相似性相當(dāng)驚人，似乎必定存在某個潛在的原因?？赡軆烧呔枰M可能完全地覆蓋一個領(lǐng)域，但是是以非常稀疏的方式，所以兩者才沒有相互干擾?！?span style="display:none">DmE菜譜美食網(wǎng)-眾歸云 - 24小時不關(guān)機的云端電腦_云主機_VPS掛機寶_免費掛機寶_0.1元試用,3-5元月租服務(wù)器提供
團隊的下一個挑戰(zhàn)是鑒定導(dǎo)致這些變化的分子層面的機制。Navlakha補充道：“我們將研究其他品種農(nóng)作物是否也具備相同的原則，并可能據(jù)此選擇植物提升作物產(chǎn)量。”
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