Matematyczna teoria sprzed 70 lat wyjaśnia tajemnicę kolorowych kwiatów

Za tworzącymi przeróżne schematy kropkami i kreskami silnie kontrastujących kolorów znajduje się genetycznie dopracowywana metoda ściągania do siebie zapylaczy jak pszczoły. Odwiedzin, dodajmy, koniecznych dla każdej rośliny chcącej się rozmnażać.

- Kontrasty barw czynią proces zapylania bardziej wydajnym, bardziej skutecznym – tłumaczy Yaowu Yuan, biolog z uniwersytetu w Connecticut. Roślinom z rodziny Phrymaceae, których nazwa mimus w antycznej grece oznaczała aktora (mima), poświęcił on ostatnią dekadę swojego życia.

Zdaniem Yuana kropliki są idealnym botanicznym przykładem istnienia wzorów we wszystkich przejawach życia. Te same ewolucyjne klocki tworzą krawędzie na powierzchni muszli, paski na ciele zebry czy kolorowe plamy na płatkach kwiatów.

W badaniu z 2019 roku opisanym w ”Science Magazine” zespół Yuana pokazał jak kropki zdobiące płatki kroplików są skutkiem ”wojny o pigmentową dominację”. Choć odbywa się ona między tylko dwoma genami, zgodnie z modelem reakcji-dyfuzji Alana Turinga generuje niezwykłe bogactwo różnorodnych wzorów w ramach jednego gatunku.

Brytyjski matematyk, uznawany za jednego z ojców komputerów i obok Polaków, jednego z ludzi którzy pokonali niemiecką Enigmę, zaproponował w 1952 roku w pracy ”Chemiczna podstawa morfogenezy”, że za najbardziej złożonymi wzorami w biologii stoi wspólny szablon.

- Wzory pigmentacji w przyrodzie są równie powszechne co złożone. W badaniu pokazujemy, jak relatywnie prosty system (złożony z 2 genów – red.) może wytworzyć tak złożoną konstrukcję – tłumaczy Benjamin Blackman biolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley, współautor opracowania na temat kroplików.

Naturalnie występujące wzory spełniają swoją biologiczną funkcję jako magnesy przyciągające płeć przeciwną, ostrzeżenie dla potencjalnego agresora, ale i znak rozpoznawczy dla ”swoich”. Gdy Turing proponował swój model reakcji-dyfuzji, wyjaśniał jak identyczne komórki mogą przekształcać się w różne struktury biologiczne.

Stworzył matematyczny model, który wyjaśniał jak poszczególne substancje chemiczne dające przeciwne skutki wchodzą ze sobą w reakcję i dyfundują w poszczególnych komórkach. Ów proces ma prowadzić do stworzenia różnych, pod kątem biologicznym, struktur organizmu.

Choć od dawna sądzono, że wszystkie organizmy na poziomie molekularnym posługują się tymi samymi klockami do tworzenia wizualnych motywów, to jednak stojąca za tym genetyczna maszyneria pozostawała tajemnicą.

Kropliki dzięki relatywnie prostej budowie genetycznej idealnie weszły w rolę ”tłumacza” tych skomplikowanych procesów. Wielość kształtów i barw wyróżniająca te rośliny nawet w ramach jednego gatunku zachęciła biologów do ich uprawy w szklarniach. Wiedza zdobyta na badaniu kroplików pośrednio przydaje się przy późniejszych badaniach bardziej złożonych gatunków, które ciężko trzymać w laboratorium.

Wykorzystując łatwość roślin do tworzenia mutacji, Yuan wytworzył szereg różnych kroplików na bazie gatunku Mimulus lewisii. U części osobników w miejsce kropek pojawiła się na płatkach jednolita karmazynowa plama w kształcie języka na żółtym i różowym tle.

Nieco przypadkiem, nie związani wówczas z pracami Yuana naukowcy z kalifornijskiego zespołu Blackmana wpadli na podobny pomysł. Znaleźli oni dziko żyjący gatunek kroplika Mimulus guttatus, z niemal identycznym czerwonym ”jęzorem”. Yuan i Blackman połączyli siły i wspólnie zaczęli porównywać genomy obu swoich roślin. Przeprojektowując je od zera w laboratorium wpadli na ślad wojen pigmentów.

Było to starcie dwóch genów odpowiadających za powstawanie charakterystycznych czerwonych plam na płatkach. Żeby kroplik uzyskał czerwoną barwę musi wytworzyć barwnik zwany antocyjanem (w zależności od pH soku komórkowego mogą przyjmować barwę od czerwonej po fioletową). Żeby to było możliwe, proces musi uruchomić gen specjalną molekułą,”aktywatorem”.

Ich produkcja nakręca z jednej strony powstawanie w roślinie kolejnych aktywacyjnych molekuł, zwiększając stopień zabarwienia jej płatków. Jeżeliby nie wprowadzić jakiegoś ”wentyla bezpieczeństwa”, przypominająca język plama na płatkach stałaby się jednolicie czerwona.

Natura wymyśliła jednak odpowiednie zabezpieczenie. Wraz z aktywatorami produkowane są represory, molekuły zdolne przenikać do pobliskich komórek i wyłączać aktywatory, zapobiegając tym samym zabarwieniu. Im dalej od pierwszej komórki, tym represorów mniej i zdolność do odleglejszych komórek do włączania aktywatora większa. Tak zamiast ”języka” powstają kropki.

Yuan i Blackman pokazali, jak walczące ze sobą mikroskopijne molekuły idealnie odzwierciedlają model reakcji-dyfuzji Turinga sprzed ponad pół wieku. Równowaga między nimi musi być zachowana, bo jeżeli nastąpi nieoczekiwana mutacja a roślina albo straci barwnik albo stanie się zbyt jednolicie ubarwiona, zapylacze nie wylądują i nie pozwolą roślinie rozmnażać się.