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Algorithmus enthüllt Geheimnisse der Blattform
Blätter haben sich über Millionen von Jahren entwickelt, um die Lichtsammlung, den Transport von Nährstoffen zum und vom Pflanzenkörper und die mechanische Stabilität gegen natürlichen Stress zu optimieren, sagt David Young, Physiker an den Lawrence Livermore National Laboratories in der Nähe von San Francisco.
Das Rätsel ist, wie Blätter in eine so große Vielfalt ähnlicher Formen wachsen. Welcher Prozess kann dieses Wachstum kontrollieren? Natürlich hat das Blattwachstum eine genetische Komponente, aber das kann nicht die ganze Geschichte sein, da Blätter derselben Pflanze manchmal unterschiedliche Formen annehmen, ein Phänomen, das als Heteroblastie bekannt ist. Denn auch Umweltfaktoren wie Ernährung, Sonnenlicht beeinflussen Wachstum und Form.
Verschiedene Theorien versuchen, die Blattform mit Ideen wie Fraktalen und dem Turing-Reaktions-Diffusions-Prozess zu erklären. Aber keine liefert eine überzeugende Erklärung für die Vielfalt der Blattformen, die in der Natur vorkommen.
Heute versucht Young, dies zu ändern, indem es ein einfaches Modell des Blattwachstums vorlegt, das einen Großteil des Spektrums der in der Natur vorkommenden Blattformen reproduziert. Mein Ziel ist es, nicht nur die Vielfalt der Blattformen der höheren Pflanzen zu erklären, sondern auch die großen Variationen der Form, die man bei Blättern nah verwandter Pflanzen beobachtet, sagt er.
In seinem Modell wird das Wachstum der Blattlappen durch die Position der Blattadern bestimmt. Das Blatt wächst dann einfach in 2 Dimensionen auf eine Weise, die von einem einfachen Algorithmus gesteuert wird. Es ist dieses Wachstumsmuster, das die endgültige Form des Blattes bestimmt. In Youngs Modell ist die endgültige Blattform wirklich ein zufälliges Nebenprodukt dieses Wachstumsprozesses.
Das ist ein interessanter und wirkungsvoller Ansatz. Durch Variation von nur wenigen Parametern kann Young eine überraschend reiche Vielfalt an Formen herstellen. Sein Modell produziert zum Beispiel verschiedene Eichen-, Acer-, Pappel- und weidenähnliche Blätter und vieles mehr.
Es erzeugt auch eine oder zwei Formen, die in der Natur nicht vorkommen, was die Frage aufwirft, warum die natürliche Selektion sie anscheinend vermieden hat.
Am wichtigsten ist vielleicht, dass Youngs Algorithmus biologisch plausibel ist: Es ist nicht schwer zu erkennen, wie genetische und umweltbedingte Prozesse kombiniert werden könnten, um sich auf diese Weise zu verhalten.
Was er jetzt braucht, ist jemand, der die Parameter des Algorithmus auf die realen genetischen/chemischen Prozesse abbildet, die in Blättern während des Wachstums ablaufen. Das kann einiges erfordern, aber es ist keineswegs jenseits von Pflanzenbiologen. Irgendwelche Freiwilligen?
Ref: arxiv.org/abs/1004.4388 : Wachstumsalgorithmus-Modell der Blattform