تؤدي الأنماط الموجودة على جلد الحيوانات، مثل خطوط الحمار الوحشي وبقع ألوان الضفادع السامة، وظائف بيولوجية مختلفة، بما في ذلك تنظيم درجة الحرارة والتمويه وإشارات التحذير. يجب أن تكون الألوان التي تتكون منها هذه الأنماط مميزة ومنفصلة جيدًا لتكون فعالة. على سبيل المثال، كإشارة تحذير، الألوان المميزة تجعلها مرئية بوضوح للحيوانات الأخرى. وكتمويه، تسمح الألوان المنفصلة جيدًا للحيوانات بالاندماج بشكل أفضل مع محيطها.
في بحثنا المنشور حديثًا في Science Advances، اقترحت أنا وطالبي بن أليسيو آلية محتملة تشرح كيفية تشكل هذه الأنماط المميزة – والتي يمكن تطبيقها على التشخيص الطبي والمواد الاصطناعية.
يمكن أن تساعد التجربة الفكرية في تصور التحدي المتمثل في تحقيق أنماط ألوان مميزة. تخيل أنك تضيف بلطف قطرة من الصبغة الزرقاء والحمراء إلى كوب من الماء. سوف تتوزع القطرات ببطء في جميع أنحاء الماء بسبب عملية الانتشار، حيث تنتقل الجزيئات من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل. في النهاية، سوف يحتوي الماء على تركيز متساوٍ من الأصباغ الزرقاء والحمراء ويتحول إلى اللون الأرجواني. وبالتالي، يميل الانتشار إلى خلق توحيد اللون.
ومن الطبيعي أن يطرح سؤال: كيف يمكن أن تتشكل أنماط الألوان المميزة في ظل الانتشار؟
الحركة والحدود
رياضياتي آلان تورينج تناول هذا السؤال لأول مرة في ورقته البحثية عام 1952 بعنوان “الأساس الكيميائي للتشكل”. أظهر تورينج أنه في ظل الظروف المناسبة، يمكن للتفاعلات الكيميائية المشاركة في إنتاج اللون أن تتفاعل مع بعضها البعض بطريقة تمنع الانتشار. وهذا يجعل من الممكن للألوان أن تنظم نفسها بنفسها وتنشئ مناطق مترابطة بألوان مختلفة، وتشكل ما يسمى الآن بأنماط تورينج.
ومع ذلك، في النماذج الرياضية، تكون الحدود بين مناطق الألوان غامضة بسبب الانتشار. وهذا على عكس الطبيعة، حيث تكون الحدود حادة في كثير من الأحيان ويتم فصل الألوان بشكل جيد.
اعتقد فريقنا أن مفتاح اكتشاف كيفية إنشاء الحيوانات لأنماط ألوان مميزة يمكن العثور عليه في التجارب المعملية على جزيئات بحجم ميكرون، مثل الخلايا المشاركة في إنتاج ألوان جلد الحيوان. لقد وجد عملي وعملي في مختبرات أخرى أن الجسيمات ذات الحجم الميكروني تشكل هياكل ذات نطاقات عند وضعها بين منطقة ذات تركيز عالٍ من المواد المذابة الأخرى ومنطقة ذات تركيز منخفض من المواد المذابة الأخرى.
في سياق تجربتنا الفكرية، يمكن للتغيرات في تركيز الأصباغ الزرقاء والحمراء في الماء أن تدفع جزيئات أخرى في السائل للتحرك في اتجاهات معينة. عندما تتحرك الصبغة الحمراء إلى منطقة تكون فيها بتركيز أقل، سيتم حمل الجزيئات القريبة معها. وتسمى هذه الظاهرة diffusiophoresis.
أنت تستفيد من عملية الرحلان الانتشاري عندما تقوم بغسل ملابسك: تتحرك جزيئات الأوساخ بعيدًا عن ملابسك بينما تنتشر جزيئات الصابون من قميصك إلى الماء.
رسم حدود حادة
لقد تساءلنا عما إذا كانت أنماط تورينج المكونة من مناطق ذات اختلافات في التركيز يمكنها أيضًا تحريك جسيمات بحجم ميكرون. وإذا كان الأمر كذلك، فهل ستكون الأنماط الناتجة عن هذه الجسيمات حادة وليست غامضة؟
للإجابة على هذا السؤال، أجرينا محاكاة حاسوبية لأنماط تورينج – بما في ذلك الأشكال السداسية والخطوط والبقع المزدوجة – ووجدنا أن الرحلان الانتشاري يجعل الأنماط الناتجة أكثر تميزًا بشكل ملحوظ في جميع الحالات. تمكنت عمليات محاكاة الانتشار هذه من تكرار الأنماط المعقدة على جلد سمكة الصندوق المزخرفة وثعبان البحر جوهرة موراي، وهو أمر غير ممكن من خلال نظرية تورينج وحدها.
ولزيادة دعم فرضيتنا، تمكن نموذجنا من إعادة إنتاج نتائج دراسة مختبرية حول كيفية عمل البكتيريا بكتريا قولونية ينقل البضائع الجزيئية داخل أنفسهم. أدى الرحلان الانتشاري إلى أنماط حركة أكثر وضوحًا، مما يؤكد دوره كآلية فيزيائية وراء تكوين النمط البيولوجي.
نظرًا لأن الخلايا التي تنتج الأصباغ التي تشكل ألوان جلد الحيوان هي أيضًا بحجم ميكرون، فإن النتائج التي توصلنا إليها تشير إلى أن الرحلان الانتشاري قد يلعب دورًا رئيسيًا في إنشاء أنماط ألوان مميزة على نطاق أوسع في الطبيعة.
تعلم خدعة الطبيعة
إن فهم كيف يمكن للوظائف المحددة لبرامج الطبيعة أن يساعد الباحثين في تصميم أنظمة اصطناعية تؤدي مهام مماثلة.
أظهرت التجارب المعملية أن العلماء يمكنهم استخدام الرحلان الانتشاري لإنشاء مرشحات مياه بدون أغشية وأدوات منخفضة التكلفة لتطوير الأدوية.
يشير عملنا إلى أن الجمع بين الظروف التي تشكل أنماط تورينج والرحلان الانتشاري يمكن أن يشكل أيضًا أساسًا لرقع الجلد الاصطناعية. تمامًا مثل أنماط الجلد المتكيفة لدى الحيوانات، عندما تتغير أنماط تورينج – على سبيل المثال من الأشكال السداسية إلى الخطوط – فإن هذا يشير إلى اختلافات أساسية في التركيزات الكيميائية داخل الجسم أو خارجه.
يمكن للبقع الجلدية التي يمكنها استشعار هذه التغييرات تشخيص الحالات الطبية ومراقبة صحة المريض من خلال الكشف عن التغيرات في العلامات البيوكيميائية. يمكن لهذه البقع الجلدية أيضًا أن تستشعر التغيرات في تركيز المواد الكيميائية الضارة في البيئة.
العمل أمامنا
ركزت عمليات المحاكاة لدينا حصريًا على الجسيمات الكروية، في حين أن الخلايا التي تصنع الصبغات في الجلد تأتي بأشكال مختلفة. لا يزال تأثير الشكل على تكوين الأنماط المعقدة غير واضح.
علاوة على ذلك، تتحرك الخلايا الصبغية في بيئة بيولوجية معقدة. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم كيف تمنع هذه البيئة الحركة وربما تجمد الأنماط في مكانها.
إلى جانب أنماط جلد الحيوانات، تعد أنماط تورينج أيضًا ضرورية لعمليات أخرى مثل التطور الجنيني وتكوين الورم. يشير عملنا إلى أن عملية الرحلان الانتشاري قد تلعب دورًا لا يحظى بالتقدير الكافي ولكنه مهم في هذه العمليات الطبيعية.
إن دراسة كيفية تشكل الأنماط البيولوجية سوف تساعد الباحثين على الاقتراب خطوة أخرى من محاكاة وظائفهم في المختبر، وهو مسعى قديم يمكن أن يفيد المجتمع.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد.
كتب بواسطة: أنكور غوبتا، جامعة كولورادو بولدر.
اقرأ أكثر:
يتلقى أنكور غوبتا التمويل من NSF (CBET – 2238412) وصندوق أبحاث البترول ACS (65836 – DNI9).