Πώς τα μήλα παίρνουν το σχήμα τους

Τα μήλα είναι από τα παλαιότερα και πιο αναγνωρίσιμα φρούτα στον κόσμο. Τα μήλα είναι σχετικά σφαιρικά εκτός από αυτό το χαρακτηριστικό λακκάκι στην κορυφή όπου αναπτύσσεται το στέλεχος.

Πώς τα μήλα όμως παίρνουν αυτό το ξεχωριστό σχήμα μεγαλώνοντας;

Μια ομάδα μαθηματικών και φυσικών χρησιμοποίησαν παρατηρήσεις, εργαστηριακά πειράματα, θεωρία και υπολογισμούς, για να κατανοήσουν την ανάπτυξη και τη μορφή του σχηματικού ορίου ενός μήλου. Η εργασία αυτή δημοσιεύθηκε στο Nature Physics.

«Τα βιολογικά σχήματα συχνά οργανώνονται από την παρουσία δομών που χρησιμεύουν ως εστιακά σημεία», δήλωσε ο L. Mahadevan, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. “Αυτά τα εστιακά σημεία μπορούν μερικές φορές να πάρουν τη μορφή μοναδικοτήτων και εκεί εντοπίζονται οι παραμορφώσεις. Ένα τρανό παράδειγμα φαίνεται στα άκρα ενός μήλου, στο εσωτερικό λακκάκι όπου ο μίσχος συναντά τον καρπό.”

Ο Mahadevan είχε ήδη αναπτύξει μια απλή θεωρία για να εξηγήσει τη μορφή και την ανάπτυξη των μήλων, αλλά το έργο άρχισε να αποφέρει καρπούς όταν οι ερευνητές ήταν σε θέση να συνδέσουν παρατηρήσεις πραγματικών μήλων σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης και πειράματα πηκτωμάτων για να μιμηθούν την ανάπτυξή τους, πάντα μαζί με τη θεωρία και τους υπολογισμούς.

Η ερευνητική ομάδα ξεκίνησε συλλέγοντας μήλα σε διάφορα στάδια ανάπτυξης από έναν οπωρώνα στο Πανεπιστήμιο του Cambridge στο Ηνωμένο Βασίλειο.

Χρησιμοποιώντας αυτά τα μήλα, η ομάδα χαρτογράφησε τα στάδια της ανάπτυξης της εσοχής ή cusp όπως το ονόμασαν, με την πάροδο του χρόνου.

Για να κατανοήσουν την εξέλιξη του σχήματος του μήλου και ιδιαίτερα του cusp, οι ερευνητές στράφηκαν σε μια μακροχρόνια μαθηματική θεωρία, γνωστή ως θεωρία της μοναδικότητας.

Η θεωρία της μοναδικότητας χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια σειρά από διαφορετικά φαινόμενα, από μαύρες τρύπες, έως πιο κοσμικά παραδείγματα όπως τα μοτίβα φωτός στο κάτω μέρος μιας πισίνας, το χωρισμό σταγονιδίων και τη διάδοση ρωγμών.

“Αυτό που είναι συναρπαστικό με τις μοναδικότητες είναι ότι είναι καθολικές», δήλωσε ο Thomas Michaels, συνεπικεφαλής συγγραφέας της μελέτης. “Η έννοια της καθολικότητας πηγαίνει πολύ βαθιά και μπορεί να είναι πολύ χρήσιμη επειδή συνδέει μοναδικά φαινόμενα που παρατηρούνται σε πολύ διαφορετικά φυσικά συστήματα.”

Ξεκινώντας από αυτό το θεωρητικό πλαίσιο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αριθμητική προσομοίωση για να κατανοήσουν πώς η διαφορική ανάπτυξη μεταξύ του φλοιού φρούτων και του πυρήνα οδηγεί στο σχηματισμό του cusp.

Στη συνέχεια επιβεβαίωσαν τις προσομοιώσεις με πειράματα που μιμήθηκαν την ανάπτυξη μήλων χρησιμοποιώντας gel που διογκώθηκε με την πάροδο του χρόνου. Τα πειράματα έδειξαν ότι οι διαφορετικοί ρυθμοί ανάπτυξης μεταξύ του μεγαλύτερου μέρους του μήλου και της περιοχής μίσχου είχαν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό της εσοχής – λακκάκι.

«Το να μπορείς να ελέγχεις και να επαναλαμβάνεις τη μορφογένεση των μοναδικών cusps στο εργαστήριο με απλές εργαλειοθήκες και υλικά, ήταν ιδιαίτερα συναρπαστικό», δήλωσε ο Aditi Chakrabarti, συνσυγγραφέας της εργασίας. “Η διαφοροποίηση της γεωμετρίας και της σύνθεσης του gel, έδειξε πώς σχηματίζονται τα πολλαπλά cusps, όπως φαίνεται στα μήλα και σε άλλα είδη, όπως ροδάκινα, βερίκοκα, κεράσια και δαμάσκηνα.”

 «Η μορφογένεση, κυριολεκτικά η προέλευση του σχήματος, είναι ένα από τα μεγάλα ερωτήματα στη βιολογία», δήλωσε ο Mahadevan. “Το σχήμα του ταπεινού μήλου, μας επέτρεψε να διερευνήσουμε μερικές φυσικές πτυχές μιας βιολογικής μοναδικότητας. Φυσικά, τώρα πρέπει να κατανοήσουμε τους μοριακούς και κυτταρικούς μηχανισμούς πίσω από το σχηματισμό του cusp, καθώς κινούμαστε αργά προς μια ευρύτερη θεωρία του βιολογικού σχήματος.»