Các nhà sư từng hy vọng có thể biến chì thành vàng thông qua thuật giả kim. Nhưng thay vào đó hãy xem xét súp lơ. Chỉ cần hai gen để biến đổi thân, cành và hoa thông thường của loài Brassica oleracea không vị thành một thành phần tuyệt đẹp như loại rau Fractal giống như đám mây này.

Christophe Godin, nhà nghiên cứu cấp cao tại Viện Nghiên cứu Khoa học Kỹ thuật số và Công nghệ Quốc gia ở Lyon, Pháp, cho biết đây là thuật giả kim thực sự.

Tiến sĩ Godin nghiên cứu kiến ​​trúc thực vật bằng cách mô hình giả thuyết về sự tiến hóa của hình dạng các loài khác nhau trong không gian ba chiều. Ông tự hỏi liệu sự biến đổi gen nào đằng sau những đường xoắn ốc so le của súp lơ và các đường gãy logarit của Romanesco, một giống súp lơ gần như có thể bị nhầm với một tinh thể.

“Làm thế nào mà thiên nhiên có thể tạo ra những điều bất ngờ như vậy?” Yêu cầu. Các quy tắc có thể đằng sau điều này là gì?

Mười lăm năm trước, Tiến sĩ Godin gặp François Barsi, một nhà sinh vật học thực vật tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia ở Grenoble, Pháp. Trong Tiến sĩ Parsi, Tiến sĩ Godin biết đồng nghiệp xấu xa của Fractal Flowers.

Tiến sĩ Barsi đề cập đến Romanesco cho biết: “Không có cách nào bạn không thể nhận thấy rằng đó là một loại rau tuyệt vời.

Nhờ vào niềm đam mê của Brassica, Tiến sĩ Godin và Tiến sĩ Parsi đã nghiên cứu bí ẩn di truyền của hình học fractal ở cả Romanesco và súp lơ tiêu chuẩn, gợi lên những thực vật trong các mô hình toán học và cũng có thể nuôi cấy chúng trong cuộc sống thực. Phát hiện của họ, cho thấy các phân tử hình thành để đáp ứng với sự thay đổi trong mạng lưới gen chi phối sự phát triển của hoa, đã được công bố hôm thứ Năm trong Khoa học.

Michael Boruganan, nhà sinh vật học của Đại học New York, người không tham gia nghiên cứu, cho biết: “Đó là sự kết hợp hấp dẫn giữa di truyền học và mặt khác là mô hình hóa nghiêm ngặt. “Họ đang cố gắng chứng minh rằng bằng cách điều chỉnh các quy tắc về cách các gen tương tác, bạn có thể nhận được những thay đổi mạnh mẽ trong thực vật.”

Vào đầu những năm 2000, Tiến sĩ Parsi nghĩ rằng ông đã hiểu về bông cải xanh. Ông ấy thậm chí còn dạy các bài học về sự tiến hóa của hoa. “Súp lơ là gì? Làm thế nào nó có thể phát triển được? Tại sao nó lại trông như vậy?”

Súp lơ trắng, giống như cải Brussels, có thân từ vỏ quả giáo dục chọn lọc Từ Brassica oleracea. Con người đã lai tạo cải Brussels để lấy chồi bên và bông cải xanh để lấy cụm hoa. Tuy nhiên, súp lơ không ra nụ hoa; Cụm hoa, hoặc nụ hoa, không bao giờ trưởng thành để tạo ra hoa. Thay vào đó, các bông hoa súp lơ tạo ra các bản sao của chúng theo hình xoắn ốc, tạo ra các cụm sữa đông giống như pho mát thuần chay.

Khi hai nhà nghiên cứu thảo luận về súp lơ, Tiến sĩ Godin gợi ý rằng nếu Tiến sĩ Parsi thực sự hiểu về loài thực vật này, thì sẽ dễ dàng lập mô hình về sự tiến hóa hình thái của loại rau này. Hóa ra, không phải vậy.

Hai người lần đầu tiên gặp đầm lầy đóng cục trên bàn cờ, và vẽ các mạng lưới di truyền khác nhau có thể giải thích cách thực vật đã biến đổi thành hình dạng hiện tại. Nguồn cảm hứng của họ là Arabidopsis thaliana, một loại thảo mộc được nghiên cứu kỹ lưỡng cùng họ với súp lơ và nhiều họ hàng của nó.

Nếu súp lơ có một bông súp lơ duy nhất ở gốc cây, thì cây Arabidopsis có nhiều cấu trúc giống súp lơ dọc theo cuống dài của nó. Nhưng những gen nào có thể tinh chỉnh súp lơ trắng hơn này thành một bông súp lơ to và nhỏ gọn? Và nếu họ xác định được những gen này, liệu họ có thể bôi những hạt súp lơ này vào các đỉnh do Romanescus hình thành không?

Để trả lời những câu hỏi này, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh mạng lưới gen và bật nó lên thông qua các mô hình toán học, tạo ra nó ở dạng 3-D và biến đổi nó trong cuộc sống thực. “Bạn tưởng tượng ra một thứ gì đó, nhưng cho đến khi bạn lập trình nó, bạn không biết nó sẽ như thế nào,” Tiến sĩ Parsi nói.

(Trong quá trình nghiên cứu, Tiến sĩ Barsi cũng đã thu thập một số mẫu Romanesco từ một chợ nông sản địa phương, giải trình tự và mổ xẻ chúng. Sau đó, ông và các đồng nghiệp của mình ăn thức ăn thừa, thường là sống với các loại nước sốt khác nhau, cùng với các ly bia.)

Tôi đã làm thất bại một số nguyên mẫu, và nó trông không giống súp lơ cho lắm. Lúc đầu, các nhà nghiên cứu nghĩ rằng chìa khóa của súp lơ nằm ở chiều dài của thân cây. Nhưng khi họ lập trình cây Arabidopsis có và không có thân ngắn, họ nhận ra rằng họ không cần phải giảm kích thước của cuống súp lơ, dù trong mô hình 3D hay trong đời thực.

Và bông cải xanh mà họ mô phỏng và trồng chỉ đơn giản là không đủ fractal. Các hoa văn chỉ có thể nhìn thấy trên hai vảy nứt nẻ, giống như một hình xoắn ốc lồng trong một cơn lốc xoáy khác. Ngược lại, súp lơ thông thường thường cho thấy sự tương tự trên ít nhất bảy vảy Fractal, ngụ ý một hình xoắn ốc bị mắc kẹt trong một chuỗi xoắn được lồng trong một vòng xoáy lồng vào một vòng xoáy được lồng trong một vòng xoáy xen vào ở phần cuối của một vòng xoáy khác.

Vì vậy, thay vì tập trung vào thân cây, họ tập trung vào mô phân sinh, một vùng mô thực vật ở đầu mỗi thân, nơi các tế bào đang phân chia tích cực tạo ra sự phát triển mới. Họ đưa ra giả thuyết rằng làm cho mô phân sinh lớn hơn sẽ làm tăng số lượng chồi được tạo ra.

Vấn đề duy nhất là các nhà nghiên cứu không biết gen nào có thể kiểm soát tần số sản xuất mô phân sinh.

Một ngày nọ, Eugenio Azpetia, khi đó là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm của Tiến sĩ Godin, nhớ ra một gen được biết là có thể thay đổi kích thước của vùng trung tâm của mô phân sinh. Ba nhà nghiên cứu đã tận hưởng giây phút hưng phấn ngắn ngủi, sau đó kiên nhẫn chờ đợi trong nhiều tháng để cây Arabidopsis mới được biến đổi phát triển. Khi chồi nảy mầm, chúng có hình súp lơ với đầu hình nón đặc biệt.

“Nó nhắc nhở chúng tôi rất nhiều về những gì đang diễn ra ở Romanesco,” Tiến sĩ Godin tự hào nói.

Thông thường, khi cây nảy mầm một bông hoa, ngọn hoa của cây sẽ ngăn cản sự phát triển thêm từ thân cây. Súp lơ xanh là một chồi được thiết kế để trở thành một bông hoa nhưng không bao giờ đến được, thay vào đó là vứt đi. Nhưng các thí nghiệm của các nhà nghiên cứu về mô phân sinh đã phát hiện ra rằng vì chồi này đã trải qua giai đoạn ra hoa thoáng qua nên nó tiếp xúc với gen dẫn đến sự phát triển của nó. “Bởi vì bạn là một bông hoa, bạn có thể tự do phát triển và bạn có thể bắn”, Tiến sĩ Parsi nói.

Quá trình này tạo ra một phản ứng dây chuyền trong đó mô phân sinh tạo ra nhiều mầm từ đó tạo ra nhiều chồi, kích hoạt cấu trúc hình học gãy khúc của súp lơ.

Đó không phải là một gốc cây bình thường, “Tiến sĩ Goodin nói. “Là chân không có lá. Chân không có tâm.”

“Đây là cách duy nhất để làm súp lơ,” Tiến sĩ Parsi nói.

Các nhà nghiên cứu cho biết có khả năng có những đột biến khác gây ra hình dạng tuyệt vời của Romanesco. Ning Gu, một nhà nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Rau quả Bắc Kinh, người cũng đang nghiên cứu cơ chế di truyền có thể có đằng sau cấu trúc của sữa đông súp lơ, cho biết bài báo đã cung cấp “rất nhiều cảm hứng.”

“Câu chuyện vẫn chưa kết thúc,” Tiến sĩ Godin nói và nói thêm rằng ông và Tiến sĩ Parsi sẽ tiếp tục cải tiến mô hình súp lơ của họ. “Nhưng chúng tôi biết mình đang đi đúng hướng.”

Nhưng họ nói rằng họ sẵn sàng nghiên cứu bất cứ điều gì từ hoa.