Konflikt między rozwojem i jego kosztami dotyczy także świata roślin. Nawet przed zwykłą niezapominajką stoi zadanie zrównoważenia wydajnego transportu substancji odżywczych dla najdalej położonych liści z limitowaniem energii na rozgałęzianie się. Rozrastanie wymaga dużych nakładów energetycznych, które organizm roślinny mógłby wykorzystać na przykład do skuteczniejszego wabienia owadów zapylających lub obrony przed szkodnikami, wytwarzając różne związki odstraszające.

Szukając odpowiedzi 

Zespół Saketa Navlakha postanowił sprawdzić, jak rośliny rozwiązują ten problem na przykładzie upraw: sorgo, tytoniu i pomidora. Badacze posiali nasiona wymienionych gatunków, następnie grupom sadzonek zapewniono zróżnicowane warunki w dostępie do wody oraz światła. Przez dwadzieścia dni przeprowadzano pomiary, korzystając z bezkontaktowej technologii skanującej w 3D, pozwalającej na uzyskanie wyników wysokiej rozdzielczości. Ostatecznie zebrano około 500 zestawów danych dla łodyg, liści i rozgałęzień. Kolejnym krokiem było stworzenie modelu. Naukowcy postawili hipotezę, że całkowita długość oraz dystans pokonywany przez substancje odżywcze, stanowią ważne kryteria rozwoju ewolucyjnego, a ich równomierne minimalizowanie to przejaw „fitnessu” genetycznego.

Ekonomia roślin

Taka dystrybucja dóbr, gdy nie ma możliwości poprawy sytuacji jednego podmiotu bez pogorszenia stanu pozostałych, nosi nazwę optimum Pareto. Nazwa pochodzi od włoskiego ekonomisty Vilfredo Pareto. Oprócz ekonomii termin ten ma również zastosowanie w naukach technicznych. Posiadając zbiór możliwych rozwiązań dla danego problemu i ich ocenę jesteśmy w stanie wyznaczyć front Pareto. Czym on jest? Niczym innym jak zbiorem rozwiązań optymalnych w sensie Pareto. Naukowcy z Salk skorzystali z tej metody w swoich badaniach. Za sprawą cyfrowej wersji ustalili współrzędne położenia poszczególnych części organizmu roślinnego. Dzięki nim stworzyli wykresy hipotetycznych kształtów roślin, które przyjęły różne strategie rozwoju. Jedną z nich była maksymalizacja efektywności transportu składników odżywczych, co wiązało się z dużym wydatkiem energetycznym, drugą stanowiło minimalizowanie długości rozgałęzień oraz koncepcje będące kompromisem między tymi dwoma skrajnymi rozwiązaniami.

Wyniki okazały się zaskakujące. Umiejscowienie na wykresach rzeczywistych wartości hodowanych roślin, według dystansu pokonywanego przez substancje odżywcze i długości rozgałęzień, odpowiadały krzywym frontów Pareto. Przypominały także zaprojektowane przez człowieka trasy metra w dużych miastach. Sadzonki zależnie od tego, jakie czynniki środowiskowe im towarzyszyły, w obrębie tych samych gatunków wykazywały zróżnicowanie w tworzeniu rozwiązań. Innymi słowy, te hodowane w słabym świetle miały inny balans i kierunek optymalizacji Pareto w stosunku do wystawionych na pełne światło. Organizm w odpowiedzi na warunki sam decyduje, co będzie dla niego najkorzystniejsze.

Sieć powiązań

Zdobyte przez naukowców z Salk informacje z pewnością znajdą zastosowanie w rolnictwie. Pomogą one w opracowaniu ukierunkowanych strategii dla zwiększanie zbiorów, w hodowli organizmów lepiej przystosowanych do zmian klimatycznych tudzież trudnych warunków. To jeszcze jednak nie koniec analogii w świecie przyrody. Badacze zaobserwowali również, że mechanizm wypuszczania przez roślinę nowych rozgałęzień jest podobny do reguł, którymi kierują się neurony w tworzeniu nowych połączeń nerwowych. Pierwszy raz opisano wspólny mianownik tych zjawisk. Podobieństw w naturze istnieje z pewnością o wiele więcej i czekają tylko na odkrycie.

Justyna Roth