Как архитектура растений повторяет принципы проектирования метро

Растения и транспортные системы, такие как метро, оказались сетями, которые решают схожие задачи по балансировке между стоимостью и эффективностью.

С помощью 3D-лазерного сканирования растущих растений учёные из Института Солка обнаружили, что универсальные принципы проектирования, которые люди используют для создания сетей, также определяют форму ветвящихся архитектур растений. Работа, опубликованная 26 июля 2017 года в журнале Cell Systems, может помочь в разработке стратегий повышения урожайности или выведении растений, лучше адаптированных к изменению климата.

Инженерная аналогия

Транспортные сети должны балансировать между стоимостью строительства и эффективностью перевозок. В аналогии с растением его основа — это «центр города», а листья — «пригороды». Питательные вещества должны перемещаться между этими точками максимально быстро, но при минимальной стоимости выращивания лишних ветвей.

Методология исследования

Команда определила:

• Стоимость — как общую длину ветвей (затраты энергии и ресурсов на рост).
• Эффективность — как сумму расстояний от основания растения до каждого листа (путь, который должны преодолевать вода и сахара).

Для изучения этого компромисса были использованы три сельскохозяйственные культуры: сорго, томат и табак. Растения выращивали в различных условиях (тень, обычный свет, яркий свет, жара, засуха). Каждые несколько дней в течение 20 дней каждое растение сканировали в 3D, всего было сделано около 500 сканов.

Результаты

На графике, где одна ось — «стоимость», а другая — «эффективность», реальные растения расположились почти идеально на линии Парето. Это означает, что их сети ветвей находят оптимальный баланс между двумя параметрами для своей конкретной среды.

• Растения группировались по видам.
• Внутри одного вида баланс менялся в зависимости от условий роста. Например, томаты, выращенные при ярком свете, находили иное соотношение стоимости и эффективности, чем томаты, выращенные в тени.

Значение исследования

Это показывает, что рост архитектуры растений оптимизирует распространённый в инженерии компромисс при проектировании сетей. Понимание этих принципов может позволить «настраивать» сорта сельскохозяйственных культур под меняющиеся климатические условия.