Ved hjælp af teori og eksperimenter, forskere viser, hvordan æbler får deres former

Æbler er blandt de ældste og mest genkendelige frugter i verden. Men har du nogensinde virkelig overvejet et æbles form? Æbler er relativt kugleformede bortset fra den karakteristiske fordybning i toppen, hvor stilken vokser.

Hvordan får æbler den karakteristiske form?

Nu, et hold af matematikere og fysikere har brugt observationer, laboratorieforsøg, teori og beregning for at forstå væksten og formen af ​​et æbles spids.

Bladet er udgivet i Naturfysik .

"Biologiske former er ofte organiseret af tilstedeværelsen af ​​strukturer, der tjener som fokuspunkter, " sagde L Mahadevan, Lola England de Valpine professor i anvendt matematik, i Organismisk og Evolutionær Biologi, og fysik ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og seniorforfatter af undersøgelsen. "Disse fokuspunkter kan nogle gange tage form af singulariteter, hvor deformationer er lokaliseret. Et allestedsnærværende eksempel ses i spidsen af ​​et æble, den indre fordybning, hvor stilken møder frugten."

Mahadevan havde allerede udviklet en simpel teori til at forklare æblers form og vækst, men projektet begyndte at bære frugt, da forskerne var i stand til at forbinde observationer af rigtige æbler på forskellige vækststadier og geleksperimenter for at efterligne væksten sammen med teori og beregninger.

Forskerholdet begyndte med at indsamle æbler i forskellige vækststadier fra en frugthave på Peterhouse College ved University of Cambridge i Storbritannien, (en anden berømt æbleelskers alma mater, Sir Isaac Newton).

Ved at bruge de æbler, holdet kortlagde fordybningens vækst, eller cusp som de kaldte det, over tid.

For at forstå udviklingen af ​​æblets form og især spidsen, forskerne henvendte sig til en mangeårig matematisk teori kendt som singularitetsteori. Singularitetsteori bruges til at beskrive en lang række forskellige fænomener, fra sorte huller, til mere hverdagsagtige eksempler såsom lysmønstrene i bunden af ​​en swimmingpool, dråbebrud og revneudbredelse.

"Det, der er spændende ved singulariteter, er, at de er universelle. Æblespidsen har intet til fælles med lysmønstre i en swimmingpool, eller en dråbe der brækker af fra en vandsøjle, alligevel laver den samme form som de gør, sagde Thomas Michaels, en tidligere postdoc ved SEAS og medforfatter af papiret, nu på University College London. "Begrebet universalitet går meget dybt og kan være meget nyttigt, fordi det forbinder enkeltstående fænomener observeret i meget forskellige fysiske systemer."

Ud fra denne teoretiske ramme, forskerne brugte numerisk simulering til at forstå, hvordan differentiel vækst mellem frugtbarken og kernen driver dannelsen af ​​spidsen. De bekræftede derefter simuleringerne med eksperimenter, der efterlignede væksten af ​​æbler ved hjælp af gel, der svulmede over tid. Forsøgene viste, at forskellige væksthastigheder mellem hovedparten af ​​æblet og stilkregionen resulterede i den fordybningslignende spids.

"At være i stand til at kontrollere og afspille morfogenesen af ​​enkeltstående spidser i laboratoriet med simple materialeværktøjssæt var særligt spændende, " sagde Aditi Chakrabarti, en postdoc ved SEAS og medforfatter til papiret. "Varing af geometrien og sammensætningen af ​​gel-mimikene viste, hvordan flere spidser dannes, som det ses i nogle æbler og andre drupes, såsom ferskner, abrikoser, kirsebær og blommer."

Holdet fandt ud af, at den underliggende frugtanatomi sammen med mekanisk ustabilitet kan spille fælles roller i at give anledning til flere spidser i frugter.

"Morfogenese, bogstaveligt talt oprindelsen af ​​form, er et af de store spørgsmål i biologi, " sagde Mahadevan. "Formen af ​​det ydmyge æble har givet os mulighed for at undersøge nogle fysiske aspekter af en biologisk singularitet. Selvfølgelig, vi skal nu forstå de molekylære og cellulære mekanismer bag dannelsen af ​​spidsen, som vi bevæger os langsomt mod en bredere teori om biologisk form."

Denne forskning er medforfatter af Sifan Yin, en gæstestuderende fra Tsinghua University og Eric Sun, en tidligere bachelor i laboratoriet.