植物和大腦的相似之處超乎你的想象:索爾克的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，控制植物生長的數(shù)學(xué)規(guī)則與大腦細(xì)胞如何萌發(fā)連接的規(guī)則相似。這項(xiàng)新研究發(fā)表在2017年7月6日的《當(dāng)代生物學(xué)》(Current Biology)雜志上，基于植物的3D激光掃描數(shù)據(jù)，研究表明，在許多生物系統(tǒng)中，分支生長可能存在普遍的邏輯規(guī)則。

索爾克整合生物學(xué)中心助理教授、論文的高級作者Saket Navlakha說:“我們的項(xiàng)目的動(dòng)機(jī)是，盡管我們在植物形態(tài)中看到了各種各樣的物種，但它們是否都有某種共同的形態(tài)或結(jié)構(gòu)。”“我們發(fā)現(xiàn)，樹枝在空間中分布的變化可以用一種叫做高斯函數(shù)的數(shù)學(xué)方法來描述，這種函數(shù)也被稱為鐘形曲線。”

由于不能移動(dòng)，植物必須找到創(chuàng)造性的策略來調(diào)整它們的建筑以應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)，比如被鄰居遮擋。從高聳的紅杉到蔓生的百里香，植物形態(tài)的多樣性是這些策略的一個(gè)明顯標(biāo)志，但Navlakha想知道是否有某種看不見的組織原則在起作用。為了找到答案，他的團(tuán)隊(duì)使用了高精度的3D掃描技術(shù)來測量植物幼苗隨時(shí)間推移的結(jié)構(gòu)，并以數(shù)學(xué)分析的方式量化它們的生長。

”這種合作源于Saket談話,我有他抵達(dá)索爾克后不久,”教授說,植物分子和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的主任Joanne Chory誰,是霍華德·h·和Maryam r·紐曼椅子在植物生物學(xué),也是霍華德·休斯醫(yī)學(xué)研究者和論文的合著者之一。“多虧了索爾克的創(chuàng)新基金項(xiàng)目和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所，我們才得以資助我們的研究。”

研究小組從三種具有農(nóng)業(yè)價(jià)值的作物開始:高粱、西紅柿和煙草。研究人員在植物可能自然生長的條件下(蔭涼、環(huán)境光、強(qiáng)光、高溫和干旱)，用種子培育植物。在一個(gè)月的時(shí)間里，第一作者Adam Conn每隔幾天就會掃描每一株植物，以數(shù)字方式捕捉其生長情況。康涅狄格州總共掃描了近600家工廠。

索爾克研究所助理康說:“我們基本上就像掃描一張紙一樣掃描這些植物。”“但在這種情況下，這項(xiàng)技術(shù)是3D的，它允許我們捕捉到一個(gè)完整的形態(tài)——植物如何在空間中生長和分布分支的完整架構(gòu)。”

每一種植物的數(shù)字表現(xiàn)形式被稱為點(diǎn)云，是一組可以計(jì)算分析的空間三維坐標(biāo)。利用這些新數(shù)據(jù)，研究小組通過研究植物的枝密度函數(shù)，建立了理論上可能的植物形狀的統(tǒng)計(jì)描述。枝密度函數(shù)描述了在植物周圍空間的任意一點(diǎn)找到一根枝的可能性。

該模型揭示了生長的三個(gè)性質(zhì):可分性、自相似性和高斯分支密度函數(shù)?？煞中砸馕吨粋€(gè)空間方向的增長獨(dú)立于其他方向的增長。根據(jù)Navlakha的說法，這種特性意味著生長是非常簡單和模塊化的，這可能會讓植物更能適應(yīng)環(huán)境的變化。自相似性意味著所有的植物都具有相同的基本形狀，盡管有些植物可能在一個(gè)方向上被拉伸得更大一些，或者在另一個(gè)方向上被擠壓得更大一些。換句話說，植物在蔭涼下生長并不比在強(qiáng)光下生長使用不同的統(tǒng)計(jì)規(guī)則。最后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，無論植物種類或生長條件如何，分支密度數(shù)據(jù)都遵循在植物邊緣截?cái)嗟母咚狗植??；旧?，這表明植物中心附近的樹枝生長密度最大，而在較遠(yuǎn)的地方，樹枝的密度隨著鐘形曲線的變化而減小。

這些特性所顯示的進(jìn)化效率之高令人驚訝。盡管植物在不同的環(huán)境條件下進(jìn)化出不同的生長規(guī)則是低效的，但研究人員并沒有想到植物會如此高效，以至于只發(fā)展出一種單一的功能形式。他們在這項(xiàng)工作中發(fā)現(xiàn)的特性可能有助于研究人員評估轉(zhuǎn)基因作物的新策略。

這篇論文的作者之一、索爾克分子神經(jīng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Salk’s Molecular Neurobiology Laboratory)教授查爾斯史蒂文斯(Charles Stevens)此前的研究發(fā)現(xiàn)，大腦神經(jīng)元也具有同樣的三種數(shù)學(xué)特性。“神經(jīng)元喬木和植物芽之間的相似性是相當(dāng)驚人的，這似乎有一個(gè)潛在的原因，”史蒂文斯說。“或許，它們都需要盡可能完全地覆蓋一個(gè)地區(qū)，但要以一種非常稀疏的方式，這樣它們才不會相互干擾。”