苹果的形状是如何形成的

　　

   

   

图像:苹果在不同生长阶段的横截面的实验测量

苹果是世界上最古老、辨识度最高的水果之一。但是你真的考虑过苹果的形状吗?苹果相对来说是球形的，除了茎长在顶部的那个典型的酒窝。

苹果是如何长出如此独特的形状的?

现在，一个由数学家和物理学家组成的团队通过观察、实验室实验、理论和计算来了解苹果尖的生长和形状。

这篇论文发表在《自然物理学》杂志上。

“生物的形状通常是由结构的存在作为焦点,”马哈德说,英格兰洛拉de Valpine应用数学教授物理,有机和进化生物学,哈佛大学约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋),这项研究的资深作者。“这些焦点有时会以奇点的形式出现，变形是局部的。最常见的例子就是苹果的尖端，即苹果茎与果实接触处的凹陷处。”

Mahadevan已经开发了一个简单的理论来解释苹果的形状和生长，但当研究人员能够将不同生长阶段的真实苹果的观察和模拟生长的凝胶实验与理论和计算联系起来时，这个项目开始结出果实。

研究小组从英国剑桥大学彼得学院(著名苹果爱好者牛顿爵士的母校)的果园中收集了不同生长阶段的苹果。

利用这些苹果，研究小组绘制出了酒窝(他们称之为“尖”)随时间的增长。

为了理解苹果形状的演变，尤其是苹果尖的演变，研究人员求助于一个长期存在的数学理论，即奇点理论。奇点理论被用来描述一系列不同的现象，从黑洞到更平凡的例子，如游泳池底部的光模式，液滴破裂和裂纹传播。

“奇点令人兴奋的地方在于它们是普遍的。苹果尖端无关与光模式在一个游泳池,或滴从水柱,然而它使他们做一样的形状,“前博士后研究员托马斯?麦克说海洋和论文的联合作者、伦敦大学学院。“普适性的概念非常深入，可能非常有用，因为它连接了在非常不同的物理系统中观察到的奇异现象。”

在这个理论框架的基础上，研究人员使用数值模拟来理解水果皮层和顶端形成的核心驱动力之间的生长差异。然后，他们用随着时间膨胀的凝胶来模拟苹果的生长，从而证实了模拟结果。实验表明，苹果的大部分和茎秆区域的生长速度不同，导致了苹果的酒窝状尖端。

“能够用简单的材料工具包在实验室控制和重放单一尖的形态发生，这是特别令人兴奋的，”阿迪提·查克拉巴蒂(Aditi Chakrabarti)说，他是SEAS的博士后，也是这篇论文的合著者。“改变凝胶模拟物的几何形状和组成可以显示出多个尖状物是如何形成的，就像在一些苹果和其他核果中看到的那样，比如桃子、杏子、樱桃和李子。”

研究小组发现，潜在的水果解剖结构和机械不稳定性可能在水果中产生多个尖的过程中发挥了联合作用。

“形态发生，即形状的起源，是生物学中的重大问题之一，”马哈德文说。“不起眼的苹果的形状让我们能够探索生物奇点的某些物理方面。当然，我们现在需要了解尖端形成背后的分子和细胞机制，因为我们正在缓慢地朝着更广泛的生物形状理论前进。”

该研究由清华大学访问学生尹思凡(Sifan Yin)和该实验室前本科生孙耀威(Eric Sun)共同撰写。

DOI

10.1038 / s41567 - 021 - 01335 - 8