Salk Enstitüsü’nden biliminsanları, bitkilerin sürgün verme biçimini ortaya koyan matematiksel formüllerin, beyinlerimizdeki sinir hücrelerinin bağlantılarını nasıl oluşturduğunu ortaya koyan formüllerle çok benzediğini keşfetti. Bitkilerin 3D lazer taramasıyla elde edilen bilgilere dayanan ve Current Biology dergisinde yayımlanan bu çalışmaya göre, pek çok biyolojik sistemdeki dallanmaların oluşumunu açıklayan ortak prensipler olabilir.
“Bu çalışmaya motivasyon kaynağı olan soru, her ne kadar bitki formlarında büyük çeşitlilik gözleniyor olsa da, hepsinde bir çeşit ortak form veya yapının olup olmadığıydı” diyen, çalışmanın yazarlarından ve Salk Bütüncül Biyoloji Merkezi profesörlerinden Saket Navlakha sözlerine şöyle devam ediyor: “Bitkilerin dallarının uzaydaki yayılımında görülen çeşitliliğin, şaşırtıcı bir biçimde çan eğrisi olarak da adlandırılan Gauss fonksiyonu ile matematiksel olarak ifade edilebildiğini bulduk.”
Hareketsiz olmalarından ötürü bitkiler, çevresel baskılara karşı -örneğin başka bir bitkinin gölgesinde kalmak- kendi mimarilerini ayarlayabilmek için yaratıcı stratejiler geliştirmek zorundadır. Yükselici kızılçamlardan yayılıcı kekiğe kadar bitki formlarında görülen çeşitlilik, farklı stratejilerin gözle görülür kanıtıdır. Fakat Navlakha, göremediğimiz ortak bir organizasyon prensibinin olup olmadığını merak etti. Bunu öğrenebilmek için Navlakha’nın ekibi yüksek duyarlılıktaki 3 boyutlu tarama yöntemini, genç bitkilerin yapılarını ve zaman içerisinde nasıl geliştiklerini matematiksel olarak analiz edilebilecek şekilde ölçmek için kullandı.
Moleküler ve Hücresel Bitki Biyolojisi Laboratuvarı’nın yöneticisi ve aynı zamanda araştırmanın yazarlarından olan Joanne Chory, bu işbirlikçi çalışmanın, Saket’in Salk Enstitüsü’ne gelmesinden çok kısa bir süre sonra, aralarında geçen bir sohbetin ürünü olduğunu söylüyor.
Grup tarımsal olarak değeri yüksek olan üç bitkiyle çalışmaya başladı: sorgum, domates ve tütün. Bu bitkileri, doğal ortamlarında maruz kalabilecekleri koşullarda yetiştirdiler: gölgede, çevresel ışıkta, yüksek ışıkta, yüksek sıcaklıkta ve kurak koşullarda. Çalışmanın başyazarı Adam Conn, bir ay içinde her birkaç günde bir, her bitkiyi taradı ve büyümelerini dijital olarak kaydetti. Conn toplamda 600 bitkiyi taradı. Conn, faydalandıkları 3D tarama yönteminin çalışmadaki yerini şu sözlerle ifade ediyor: “Bitkileri tıpkı kâğıt parçalarını tarar gibi taradık. Fakat burada 3D bir teknolojiden faydalandık ve bu bizim bitkilerin formlarını bütün olarak inceleyebilmemizi, diğer bir deyişle nasıl büyüdüklerinin ve uzayda nasıl dallandıklarının bütüncül bir resmini elde edebilmemizi sağladı.”
Her bitkinin 3D koordinat sisteminde sayısal olarak analiz edilebilen dijital simgesi noktasal bulut olarak adlandırıldı. Bu bilgilerle ekip, bitkilerin dallanma yoğunluğu fonksiyonu üzerinde çalışarak, teorik olarak mümkün olan bitki formlarının istatistiksel ifadesini elde etti. Dallanma yoğunluğu fonksiyonu, bitkiyi kapsayan herhangi bir noktada bir dal bulunması olasılığını gösteriyor.
Bu model büyümenin üç temel özelliğini gözler önüne serdi; ayrıştırılabilirlik, özbenzerlik ve Gauss dal yoğunluğu fonksiyonu (Gaussian branch density function). Ayrıştırılabilirlik, belli bir yöndeki büyümenin diğer yönlere doğru olan büyümeden bağımsız olduğu anlamına geliyor. Navlakha’ya göre bu özellik, büyümenin basit ve modüler olduğunu gösteriyor ve bu durum bitkileri çevre koşullarının değişimine daha dayanıklı kılıyor olabilir. Özbenzerlik, her ne kadar bazı bitkiler belirli bir yönde biraz daha fazla büyüse de veya başka bir yönde biraz daha fazla sıkışsa da, her bitkinin aynı temel şekle sahip olduğunu ifade ediyor. Diğer bir deyişle, bitkiler farklı koşullar altındayken, örneğin karanlık veya aydınlık ortamda büyürken farklı istatistiksel kurallara sadık kalmıyor. Son olarak da grup, yetişme koşulları ve bitkinin türü ne olursa olsun, dallanma yoğunluğunun bitkinin sınırları etrafında Gauss dağılımı izlediğini buldu. Yani dalların büyüme hızı bitkinin merkezinde en fazlayken, merkezden uzaklaştıkça çan eğrisi dağılımını izleyerek azalıyor.
Bu ortak stratejiler şaşırtıcı düzeyde büyük evrimsel avantajlar sağlıyor. Bitkilerin farklı çevresel koşullarda da büyümek için farklı kurallar geliştirmeleri çok kârlı olmayacaktır, fakat araştırmacılar tek bir fonksiyona dayalı formlar oluşturmanın bitkiler için bu kadar verimli olacağını tahmin etmiyordu. Bu çalışma sayesinde bulunan bu özellikler, araştırmacıların bitkilerin genetik özelliklerini tasarlarken yeni stratejiler izlemelerini sağlayabilir.
Çalışmanın yazarlarından biri ve yine Salk Enstitüsü Moleküler Nörobiyoloji Laboratuvarı’ndan Prof. Charles Stevens, daha önce yayımlanmış olan çalışmasında, aynı üç matematiksel özelliğin beyindeki nöronlar için geçerli olduğunu göstermişti. Yeni çalışmayla görmüş oldukları benzerliklerle ilgili olarak Stevens şunları söylüyor: “Nöral ağlar ve bitki sürgünleri arasındaki büyük benzerlik çok çarpıcı, bunun arkasında temel bir moleküler mekanizma olmak zorunda. Büyük ihtimalle iki sistem de kendi alanlarını mümkün olduğunca doldurmak zorunda, ama bunu belli bir seviyede seyreklikle yapmalılar ki dallanmalar birbirine engel olmamalı.”
Grubun yeni hedefi, altta yatan bu moleküler mekanizmaları ortaya çıkarabilmek. Navlakha bunun önemini şu sözlerle açıklıyor; “Böylelikle bu prensiplerin farklı tarımsal türler için de geçerli olup olmadığını göreceğiz ve bu bilgiyi tarımdaki verimi yükseltmek için bitki çeşitlerini seçerken kullanabileceğiz.”
