Подсолнухи совершают небольшие движения для максимального воздействия солнца — физики могут смоделировать их, чтобы предсказать рост
В 1863 году Чарльз Дарвин, наблюдая за растениями, обнаружил их небольшие движения, такие как круговые движения усиков огурца. Он описал эти повсеместные движения растений как циркумнутации (от лат. circum — круг и nutare — кивать).
Циркумнутации варьируются у разных видов растений, но их точная функция оставалась неясной.
Узор подсолнухов
Исследование 2017 года показало, что подсолнухи, выращенные в плотном ряду, естественным образом формировали почти идеальный зигзагообразный узор, наклоняясь от ряда в чередующихся направлениях. Это позволяло растениям избегать тени от соседей и максимизировать воздействие солнечного света. Такие подсолнухи процветали.
Подсолнухи, выращенные с той же плотностью, но ограниченные в наклоне (только вертикальный рост), производили меньше масла, чем растения, которые могли наклоняться.
Самоорганизация и случайность
Это спонтанное формирование узора — пример самоорганизации в природе. Порядок возникает из взаимодействий между отдельными членами системы и их взаимодействия с окружающей средой.
Случайность (шум) способствует самоорганизации, позволяя системе исследовать альтернативные сценарии и адаптироваться к изменениям, как в примере с муравьями, ищущими пищу.
Роль случайности в самоорганизации подсолнухов
Учёные решили проверить, могут ли случайные, нерегулярные циркумнутации лежать в основе самоорганизации подсолнухов.
В лабораторном эксперименте, отслеживая движение молодых подсолнухов с помощью камер (снимки каждые 5 минут), исследователи наблюдали петли, спирали и множество резких движений. Эти движения в итоге казались в значительной степени случайными.
Однако, когда растения размещали вместе в рядах, они начинали отдаляться друг от друга, формируя те же зигзагообразные конфигурации, что и в предыдущем исследовании.
Анализ показал, что в любой момент времени направление движения растения казалось полностью независимым от того, как оно двигалось примерно за полчаса до этого. Измерение движения раз в 30 минут создавало картину полностью случайного движения.
Модель подсолнуха
Учёные создали вычислительную модель подсолнуха, где каждое растение моделировалось как круглая крона на стебле, расширяющаяся с измеренной экспериментально скоростью роста. Модельное растение двигалось совершенно случайным образом, делая «шаг» каждые полчаса.
Интенсивность циркумнутации в модели регулировалась размером шага:
- Малые шаги: медленное, минимальное движение в среднем.
- Крупные шаги: высоко нерегулярное движение.
- Реальные подсолнухи находились где-то посередине.
В модель также добавили реакцию избегания тени: два растения, оказавшиеся слишком близко в тени друг друга, начинали наклоняться в противоположных направлениях.
Результаты моделирования
- Модель с малыми циркумнутациями: Реакция избегания тени отталкивала растения друг от друга, но этого было недостаточно для формирования зигзага — растения оставались «застрявшими» в линии («фрустрированная» система в физике).
- Модель с крупными циркумнутациями: Растения начинали двигаться случайным образом, часто сближаясь, а не отдаляясь. Зигзагообразный узор также не формировался.
- Модель с умеренно крупными движениями (аналогичными экспериментальным измерениям): Растения смогли самоорганизоваться в зигзагообразный узор, дающий каждому подсолнуху оптимальное воздействие света.
Таким образом, было показано, что эти случайные, нерегулярные движения помогают растениям исследовать своё окружение, чтобы находить выгодные для роста конфигурации.