Thực vật phát triển giống với não người như thế nào

Thực vật và não người giống nhau nhiều hơn mức bạn nghĩ: các nhà khoa học của Salk đã khám phá ra rằng quy luật toán học này chi phối đến cách thực vật phát triển giống với cách mà các tế bào não người liên kết với nhau. Công trình mới này được xuất bản trong tạp chí Current Biology vào ngày 6 tháng 7, 2017 và dựa trên kết quả quét 3D bằng laser ở thực vật, đã cho thấy rằng có thể có một quy luật chung về logic đã chi phối sự ra nhánh qua nhiều hệ thống sinh học.

Hình 1. Hình ảnh mô tả cách thực vật phát triển theo cùng một quy luật dưới các điều kiện khác biệt nhau hoàn toàn (ví dụ như trời nhiều mây với trời nắng) và mật độ nhánh cây tuân theo quy luật phân phối Gaussian (‘đường cong chuông’) giống với ở não người
Credit: Salk Institute

“Dự án của chúng tôi được thúc đẩy bởi một câu hỏi là dù chúng ta đã nhìn thấy sự đa dạng ở các loài thực vật thì liệu rằng có một cấu trúc chung nào đó giữa chúng không “, Saket Navlakha, giáo sư của Trung tâm Sinh học Tích hợp của Salk đã cho biết. . “Chúng tôi phát hiện có một điều đáng ngạc nhiên là sự khác biệt về cách các nhánh cây được phân bố trong không gian có thể được mô tả dưới dạng toán học bằng một thứ được gọi là một hàm Gaussian, còn gọi là một đường cong chuông”.

Không thể di chuyển được nên thực vật phải tìm ra các chiến lược sáng tạo để điều chỉnh cấu ​​trúc của chúng để đối mặt với các biến đổi từ môi trường, chẳng hạn như là được che phủ bởi người hàng xóm lớn hơn. Sự đa dạng trong các loài thực vật, từ những cây tùng bách cao đến các loài creeping thyme, là một dấu hiệu rõ ràng của các chiến lược này, nhưng Navlakha tự hỏi có một nguyên tắc tổ chức không nhìn thấy được chi phối việc đó. Để tìm hiểu, nhóm của ông đã sử dụng công nghệ quét 3D có độ chính xác cao để quan sát cấu trúc của cây con theo thời gian và định lượng sự tăng trưởng theo phương pháp toán học.

Giáo sư và Giám đốc Phòng thí nghiệm Sinh học Phân tử và Tế bào Thực vật Joanne Chory, và là giáo sư sinh học thực vật ở Howard H. và Maryam R. Newman, và cũng là một nhà nghiên cứu ở Howard Hughes, một trong những đồng tác giả của bài báo nói: “Sự hợp tác này phát sinh từ một cuộc trò chuyện mà Saket và tôi đã có không lâu sau khi ông đến Salk. Chúng tôi cũng nhận quỹ hỗ trợ nghiên cứu nhờ chương trình tài trợ cho nghiên cứu đổi mới của Salk và Viện Y tế Howard Hughes.”

Nhóm nghiên cứu bắt đầu với ba loại cây trồng có giá trị nông nghiệp: lúa miến, cà chua và thuốc lá. Các nhà nghiên cứu gieo hạt giống dưới điều kiện tự nhiên mà cây trồng thích nghi được (bóng mát, ánh sáng xung quanh, mật độ ánh sáng cao, nhiệt độ cao và hạn hán). Cứ cách vài ngày trong một tháng, tác giả đầu tiên Adam Conn đã quét từng cái cây để nắm bắt được sự phát triển của chúng. Conn đã quét tất cả gần 600 cây.

Conn, một trợ lý nghiên cứu của Salk, nói: “Chúng tôi đã quét các loại cây cơ bản như khi bạn quét một mảnh giấy. Nhưng trong trường hợp này là công nghệ 3D và nó cho phép chúng ta quan sát được một cấu trúc hoàn chỉnh – về cách thức thực vật phát triển và phân chia các nhánh trong không gian”.

Mỗi biểu diễn số của một cây được gọi là một điểm đám mây, một tập các toạ độ 3D trong không gian có thể được phân tích và tính toán trên máy vi tính. Với dữ liệu mới, nhóm nghiên cứu đã xây dựng một thống kê về các hình dạng thực vật có thể có trên lý thuyết bằng cách nghiên cứu hàm mật độ nhánh cây của cây trồng. Hàm mật độ nhánh cây mô tả khả năng tìm thấy một nhánh tại điểm bất kỳ trong không gian xung quanh một cái cây.

Mô hình này cho thấy ba tính chất tăng trưởng: tính tách, tính tương tự và hàm mật độ Gaussian. Tính tách có nghĩa là sự phát triển theo một hướng không gian độc lập với sự phát triển theo các hướng khác. Theo Navlakha, đặc tính này có nghĩa là sự tăng trưởng rất đơn giản và có tính mô đun, điều này có thể cho phép cây trồng trở nên linh hoạt hơn đối với những thay đổi trong môi trường sống của chúng. Tính tương tự có nghĩa là tất cả các cây có hình dạng cơ bản giống nhau, mặc dù một số cây có thể được kéo dài hơn theo một hướng, hoặc vắt theo một hướng khác. Nói cách khác, thực vật không sử dụng các quy tắc chiến lược khác nhau để phát triển trong bóng râm so với khi chúng phát triển trong ánh sáng. Cuối cùng, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng, bất kể loài thực vật hay bất kì các điều kiện tăng trưởng, dữ liệu mật độ nhánh theo phân phối Gaussian được cắt tại ranh giới của cây. Về cơ bản, điều đó nói lên rằng sự phát triển nhánh tập trung xung quanh trung tâm cây và thưa dần khi ra xa cây theo dạng đường con chuông.

Mức độ hiệu quả tiến hóa cao được gợi ý là bởi do các tính chất đáng ngạc nhiên trên. Mặc dù sẽ không hiệu quả nếu các loài thực vật phát triển theo các quy tắc tăng trưởng khác nhau trong các điều kiện môi trường khác nhau nhưng các nhà nghiên cứu cũng không mong đợi rằng các loài thực vật sẽ phát triển hiệu quả nếu chỉ phát triển theo một dạng cấu trúc duy nhất. Các tính chất mà họ xác định trong nghiên cứu này có thể giúp các nhà nghiên cứu đánh giá các chiến lược mới cho việc trồng cây trồng biến đổi gen.

Charles Stevens, giáo sư Phòng Thí nghiệm Sinh học Phân tử Salk, đã tìm ra ba tính chất toán học tương tự trong các tế bào thần kinh não. Stevens cho biết: “Sự giống nhau giữa mạng lưới thần kinh người và các chồi cây khá ấn tượng, và có vẻ như là chúng cùng chịu một quy luật chung nào đó. Có thể cả hai đều cần phải che phủ phần thân một cách đầy đủ nhất có thể nhưng theo một cách rất thưa thớt để các nhánh không can thiệp vào nhau.”

Thử thách tiếp theo cho nhóm là xác định những gì có thể xảy ra ở cấp độ phân tử đã dẫn dắt những thay đổi này. Navlakha cho biết thêm, “Chúng ta có thể thấy được rằng liệu những nguyên tắc này có khác biệt trong các loài nông nghiệp khác và có thể sử dụng kiến ​​thức đó trong việc lựa chọn giống để cải thiện năng suất cây trồng hay không.”

Hoài Thu
Theo Sciencedaily.com

Facebook Comments

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *