Appels behoren tot de oudste en meest herkenbare vruchten ter wereld. Maar heb je ooit echt nagedacht over de vorm van een appel? Appels zijn relatief bolvormig, behalve dat karakteristieke kuiltje aan de bovenkant waar de stengel groeit.

Hoe krijgen appels die kenmerkende vorm?

Nutsvoorzieningen, een team van wiskundigen en natuurkundigen heeft observaties gebruikt, laboratorium experimenten, theorie en berekening om de groei en vorm van de cusp van een appel te begrijpen.

De krant is gepubliceerd in Natuurfysica .

"Biologische vormen worden vaak georganiseerd door de aanwezigheid van structuren die als brandpunten dienen, " zei L Mahadevan, de Lola England de Valpine hoogleraar Toegepaste Wiskunde, van Organismische en Evolutionaire Biologie, en natuurkunde aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en senior auteur van de studie. "Deze brandpunten kunnen soms de vorm aannemen van singulariteiten waar vervormingen gelokaliseerd zijn. Een alomtegenwoordig voorbeeld is te zien in de cusp van een appel, het binnenste kuiltje waar de stengel de vrucht ontmoet."

Mahadevan had al een eenvoudige theorie ontwikkeld om de vorm en groei van appels te verklaren, maar het project begon vruchten af ​​te werpen toen de onderzoekers waarnemingen van echte appels in verschillende groeistadia en gelexperimenten konden verbinden om de groei na te bootsen met theorie en berekeningen.

Het onderzoeksteam begon met het verzamelen van appels in verschillende groeistadia van een boomgaard aan het Peterhouse College aan de Universiteit van Cambridge in het VK, (de alma mater van een andere beroemde appelliefhebber, Meneer Isaac Newton).

Met behulp van die appels, het team bracht de groei van het kuiltje in kaart, of cusp zoals ze het noemden, overuren.

Om de evolutie van de vorm van de appel en de cusp in het bijzonder te begrijpen, de onderzoekers wendden zich tot een al lang bestaande wiskundige theorie die bekend staat als de singulariteitstheorie. Singulariteitstheorie wordt gebruikt om een ​​groot aantal verschillende fenomenen te beschrijven, van zwarte gaten, tot meer alledaagse voorbeelden zoals de lichtpatronen op de bodem van een zwembad, druppel uiteenvallen en scheurvoortplanting.

"Het spannende aan singulariteiten is dat ze universeel zijn. De appelknobbel heeft niets gemeen met lichtpatronen in een zwembad, of een druppel die afbreekt van een waterkolom, toch maakt het dezelfde vorm als zij, " zei Thomas Michaëls, een voormalig postdoctoraal fellow bij SEAS en co-hoofdauteur van het artikel, nu aan het University College London. "Het concept van universaliteit gaat heel diep en kan erg nuttig zijn omdat het enkelvoudige fenomenen verbindt die in zeer verschillende fysieke systemen worden waargenomen."

Voortbouwend op dit theoretisch kader, de onderzoekers gebruikten numerieke simulatie om te begrijpen hoe differentiële groei tussen de fruitcortex en de kern de vorming van de cusp stimuleert. Vervolgens bevestigden ze de simulaties met experimenten die de groei van appels nabootsten met gel die in de loop van de tijd opzwol. De experimenten toonden aan dat verschillende groeisnelheden tussen het grootste deel van de appel en het stengelgebied resulteerden in het kuiltjeachtige knobbeltje.

"Het was bijzonder opwindend om de morfogenese van enkelvoudige knobbels in het laboratorium te controleren en opnieuw af te spelen met eenvoudige materiële toolkits, " zei Aditi Chakrabarti, een postdoctoraal onderzoeker bij SEAS en co-auteur van het artikel. "Door de geometrie en samenstelling van de gel-nabootsers te variëren, bleek hoe meerdere knobbels zich vormen, zoals te zien in sommige appels en andere steenvruchten, zoals perziken, abrikozen, kersen en pruimen."

Het team ontdekte dat de onderliggende fruitanatomie samen met mechanische instabiliteit een gezamenlijke rol kan spelen bij het ontstaan ​​van meerdere knobbels in fruit.

"Morfogenese, letterlijk de oorsprong van vorm, is een van de grote vragen in de biologie, " zei Mahadevan. "De vorm van de eenvoudige appel heeft ons in staat gesteld om enkele fysieke aspecten van een biologische singulariteit te onderzoeken. Natuurlijk, we moeten nu de moleculaire en cellulaire mechanismen achter de vorming van de knobbel begrijpen, terwijl we langzaam op weg zijn naar een bredere theorie van biologische vorm."

Dit onderzoek was co-auteur van Sifan Yin, een gaststudent van Tsinghua University en Eric Sun, een voormalige student in het lab.