Forskere har fundet et svar på et århundreder gammelt blomstermysterium ved hjælp af en matematisk model til at forklare, hvordan stribede tulipaner får deres karakteristiske mønster.
Ofte omtalt som “ødelagte tulipaner” blev de stribede variationer af den populære blomst eftertragtet i det 17. århundrede for deres smukke markeringer. Det har været kendt siden 1928, at mønsteret er forårsaget af en virusinfektion kendt som den tulipanende virus, men nøjagtigt hvordan signaturstriberne dannes forblev et uopløst mysterium indtil nu.
I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikationsbiologi Og ledet af University of Alberta Mathematics Professor Thomas Hillen fandt forskere, at den tulipanende virus hæmmer produktionen af anthocyaniner, pigmenterne, der giver tulipaner deres livlige farver.
“Planten ønsker at producere et pigment, og virussen ønsker at producere en virus. Og hvis virussen er meget stærk, overtager den maskineriet fuldstændigt, og der er ikke flere ressourcer til at producere nogen farve,” siger Hillen.
Det stribede mønster opstår, fordi områderne med tulipanblade, der er mest inficeret, bliver næsten farveløse, mens de områder, der har mindre omfattende infektion, holder deres farve.
For at simulere samspillet mellem virussen, pigmentproduktionen og de cellulære ressourcer inden for anlægget designede Hillen og hans samarbejdspartnere en matematisk model, der indeholder to nøglemekanismer, substrataktiveringsmekanismen og Wolperts positionsinformationsmekanisme.
Substrataktiveringsmekanismen ligner et velkendt matematisk koncept kaldet Turing-ustabilitet, som er ansvarlig for andre mønstre i naturen, såsom striber på zebraer eller pletter på leoparder. Denne mekanisme hjælper med at forklare, hvordan virussen bevæger sig i forskellige hastigheder inden for tulipanen, hvilket skaber områder med mere eller mindre infektion og følgelig mere eller mindre pigmentering.
Hillen sammenligner det med et indkøbscenter, hvor nogle butikker har store sort fredagssalg, og andre er det ikke. Produkterne til salg er underlaget, shopperne er aktivatorerne, og mekanismen beskriver deres opførsel, når de skynder sig til butikkerne med det bedste salg, samles i klumper der, mens de andre butikker forbliver tomme. I tulipanser er substratet de cellulære ressourcer, som anlægget bruger til at fremstille pigmenterne, og aktivatoren er virussen.
Wolperts positionsinformationsmekanisme blev oprindeligt udtænkt for at forklare den kemiske signalering, der fandt sted inden for et udviklende embryo. Efterhånden som organer udvikler sig, forklarer Hillen, har cellerne brug for information om, hvor de skal hen. “Lad os sige, at der er en hjertecelle – hvor har det brug for at gå for at mødes med alle de andre hjerteceller for at slå sig ned og danne et sundt hjerte? Mekanismen vedrører den kemiske signalering, hvor cellerne stopper, hvis de modtager det rigtige signal og sætter sig til, siger, danner hjertet.”
Arbejder sammen i modellen, starter aktivator-substratmekanismen ting ved at skabe ustabilitet i tulipanen, der får virussen til at sprede sig ujævnt, mens Wolperts mekanisme signaliserer, hvor meget pigment der er behov for i hver del af kronbladet. Resultatet? Iøjnefaldende blomster, der befalede en iøjnefaldende pris under “Tulipmania.”
For at teste modellen trådte Aidan Wong, første forfatter til studiet og en bachelorstuderende på tidspunktet for forskningen, ind i koden i Matlab, et programmeringssprog, der ofte bruges i matematik. Simuleringen gav en række billeder, der efterligner udseendet af de stribede tulipanblade.
“Uanset hvad du skriver ned i differentialligninger, kan du også skrive ned på et programmeringssprog og derefter løse det på computeren,” siger Hillen, “så du får en skærm fuld af smukke tulipanbilleder.”
Ifølge Hillen kunne modellen bruges til bedre at forstå andre mønstre, der findes i naturen. For eksempel antager han, at planter inden for Lily -familien sandsynligvis ville blive påvirket af de samme mekanismer som tulipaner, fordi begge blomster transporterer deres næringsstoffer på lignende måder. Og da virussen er ansvarlig for at svække planten, kan matematisk modellering også være gavnlig ved at hjælpe avlere med at undgå virale infektioner i kommercielle planter.