您是否曾经在准备花椰菜之前盯着它看，并迷失在其令人惊叹的美丽图案中？ 如果您头脑清醒的话，可能不会，但我向您保证，值得一试。
你会发现，乍一看像是无定形斑点的东西却有着惊人的规律性。
如果你仔细观察，你会发现许多小花看起来都很相似，都是由它们自己的缩小版组成的。 在数学中，我们将这种性质称为自相似性，这是抽象几何对象的定义特征称为分形。 但为什么花椰菜有这种特性呢？
我们的新研究，出版于科学，已经给出了答案。
自然界中有很多分形的例子，例如冰晶或树枝。 在数学中，初始模式的副本数量是无限的。 花椰菜表现出高度的自相似性，涉及七个或更多“相同”芽的副本。
这一点在罗马花椰菜（有时被称为罗马西兰花，因为它的颜色），如果您在线搜索“植物分形”，将出现的第一个图像之一。
罗马花蕾最引人注目的是其轮廓分明的金字塔形花蕾，沿着无尽的螺旋状堆积。 虽然不太明显，但其他花椰菜也存在类似的排列。
许多植物中都存在螺旋，它是植物组织的主要模式——这是一个已被研究的课题超过2000年。 尽管花椰菜与大多数其他植物都有螺旋结构，但它们的自相似性是独一无二的。
这个特殊功能从何而来？ 花椰菜螺旋的起源与其他植物的螺旋机制相同吗？
科学之谜
大约 12 年前，我在法国的两位同事，弗朗索瓦·帕西和克里斯托夫·戈丁，我们开始问这些问题，并邀请我加入其中。 我们花了很多时间疯狂地拆开小花，数它们，测量它们之间的角度，研究有关分子机制的文献花椰菜生长的基础，并试图为这些神秘的卷心菜创建现实的计算模型。
大多数可用数据均已开启拟南芥，也称为“塔勒水芹”开花植物。 尽管这是一种杂草，但它在现代植物生物学中至关重要，因为它的遗传学已被广泛研究多年，包括许多变体。 事实证明，它与所有卷心菜都有关系，属于卷心菜科十字花科。
拟南芥其实有它的自己版本的花椰菜，由仅涉及一对相似基因的简单突变引起（见下图）。 因此，这种突变植物的遗传学与花椰菜的遗传学非常相似。
拟南芥花椰菜突变体。 （BlueRidgeKitties/CC-BY-NC）
如果您花一些时间观察花园中某些杂草（可能包括近亲）的茎干树枝拟南芥），您将看到它们如何非常紧密地相互跟随，并且每个连续的对之间的角度相同。 如果沿着这个螺旋有足够的器官，您将开始看到其他螺旋，顺时针和逆时针旋转（见右图）。
如果您设法对螺旋进行计数，它们通常是斐波那契数列中某个位置的数字，其中序列中的下一个数字是通过将其前面的两个数字相加来找到的。 这给出 0、1、1、2、3、5、8、13 等。
在典型的花椰菜上，预计会看到五个顺时针螺旋和八个逆时针螺旋，反之亦然（见下图）。 但为什么？ 为了了解植物的几何形状在其一生中如何发展，我们需要数学，但也需要显微镜。
花椰菜上有五个类似小花的顺时针螺旋。 （艾蒂安·法尔科特）
与上面相同的花椰菜上有八个逆时针螺旋。 （艾蒂安·法尔科特）
我们现在知道，对于每一种植物来说，主螺旋已经在微观尺度。 这发生在其发展的早期。 在此阶段，它包含斑点，其中表达（打开）非常特定的基因。 斑点中表达的基因决定了该斑点是否会长成树枝、叶子或花朵。
但基因实际上在复杂的“基因网络”中相互作用，导致特定的基因在特定的领域和特定的时间表达。 这超出了简单的直觉，因此数学生物学家依靠微分方程来编写这些基因网络的模型来预测它们的行为。
为了弄清楚花椰菜在最初几片叶子形成后如何长成其独特的形状，我们建立了一个包含两个主要组成部分的模型。 这些是我们在大花椰菜中看到的螺旋结构的描述，以及我们在花椰菜中看到的潜在基因网络的模型拟南芥。 然后我们尝试将两者进行匹配，这样我们就可以找出哪些遗传学导致了花椰菜的结构。
我们发现四个主要基因是关键的参与者：它们的缩写是S、A、L和T，这显然是我们开玩笑的。
中缺少“A”拟南芥突变为花椰菜状的开花植物，也是驱动斑点变成花朵的基因。
花椰菜如此特别的原因在于，生长尖端的这些斑点会在一段时间内（长达几个小时）尝试变成花朵，但由于缺少“A”而一直失败。 相反，它们发育成茎，茎再变成茎，等等——几乎无限繁殖而不长出叶子，从而产生几乎相同的花椰菜芽。
他们花在尝试上的时间是至关重要的——在我们的模型中正确实现这一点使我们能够在计算机上精确地再现花椰菜和罗马花椰菜。 我们通过改变现实生活中的生长来确认这是正确的拟南芥花椰菜突变植物，有效地将其变成与微型罗马花椰菜非常相似的形状。
令人惊奇的是，大自然是多么复杂。 下次当你晚餐吃花椰菜时，在吃之前花点时间欣赏一下它。
