ماهی فروتن با باله اشعه ای برای سالیان متمادی هرگز دانشمندان و دوستداران اقیانوس را شگفت زده نمی کند.
علیرغم شکل زاویهای خود، آنها با چابکی شگفتانگیزی شنا میکنند و محققان را در مورد نحوه انجام آن گیج میکند. علاوه بر این، آنها بسیار جذاب هستند: با لب های چاق و بدن مکعبی شکل، رنگ آمیزی شده با الگوهای روشن و چشم نواز – نقطه پولکا، راه راه و موارد دیگر.
محققان دانشگاه کلرادو بولدر به لکه ها، راه راه ها و شش ضلعی های روی بدن اورناتا آراکانای استرالیایی علاقه خاصی دارند. آنها دریافتند که تمام این الگوهای روی پوست او را میتوان با استفاده از نظریهای که آلن تورینگ، پدر محاسبات مدرن در اواسط قرن گذشته توسعه داد، توصیف و بازتولید کرد.
یک مدل ریاضی که حتی کوچکترین جزئیات الگوی روی بدنه رنگ را با دقت بازتولید می کند، از جمله دانه های طبیعی و سایر “نقایص”، در مجله Issue ارائه شده است. مهندس شیمی آنکور گوپتا، یکی از نویسندگان، توضیح می دهد که این دانشمندان را به درک دقیق چگونگی شکل گیری چنین الگوهای پیچیده در طبیعت بر روی پوست ماهی ها و سایر موجودات زنده نزدیک می کند.
او گفت: «این به پر کردن شکاف بین مدلهای ریاضی دقیق و زیبایی آشفته و پر جنب و جوش دنیای واقعی کمک میکند.
این دانش میتواند به ایجاد پارچههای استتاری که رنگهای طبیعی را تقلید میکنند یا توسعه روباتهای نرمی را که از مواد انعطافپذیر به جای ساختارهای سفت و سخت استفاده میکنند، کمک کند.
ایده هایی را 70 سال پیش توسعه داد
این تحقیق یک مدل نظری را ایجاد می کند که تورینگ در سال 1952 منتشر کرد. این مدل بر اساس تعامل دو فرآیند است: انتشار، زمانی که ذرات سعی می کنند به طور یکنواخت تمام فضای موجود را پر کنند و واکنش های شیمیایی بین آنها.
معمولاً انتشار منجر به یکنواختی می شود – به عنوان مثال، اگر رنگ را در آب بریزید، به تدریج محلول یک رنگ را تشکیل می دهد. اما تورینگ نشان داد که در شرایط خاص، ترکیبی از انتشار و واکنش شیمیایی، برعکس، می تواند به طور خود به خود ساختارهای منظمی ایجاد کند: راه راه، لکه ها و الگوهای دیگر. اینها بعداً به مدلهای تورینگ معروف شدند.
ریاضیات پشت این الگوها به توضیح چگونگی ترسیم لکه های پلنگ، انحناها بر روی پوسته نرم تنان و بسیاری از الگوهای بیولوژیکی دیگر کمک می کند. همین مدل شکلگیری اثر انگشت انسان، الگوی موجهای شنی در پایین و توزیع ماده در کهکشانها را توصیف میکند.
برنامه های کامپیوتری که فرآیندهای انتشار و واکنش را شبیه سازی می کنند می توانند برخی از مدل های بیولوژیکی را بازتولید کنند. اما به گفته گوپتا، نتایج آنها اغلب بیش از حد استریل و بی نقص به نظر می رسد، بدون زبری ذاتی طبیعت – خطوط گسل، ضخامت ناهموار یا دانه بندی. حتی مدل خودشان که رفتار سلولهای رنگدانه را در پوست بدن شبیهسازی میکند، در ابتدا الگوهای مبهم و نامشخصی ایجاد کرد.
گوپتا میگوید: «سیستمهای انتشار ذاتاً تمایل به تاری دارند. “پس چگونه طبیعت الگوهای واضحی ایجاد می کند؟”
در سال 2023، یکی از شاگردان گوپتا راه حلی را با افزودن نوع متفاوتی از حرکت سلول به مدل پیدا کرد. به گفته این محقق، سلولهای موجود در مایع میتوانند به هم چسبیده و با هم حرکت کنند، که توسط جریان سایر ذرات منتشر شده از بین میروند. این فرآیند که انتشار نامیده می شود، همان فرآیندی است که باعث می شود صابون هنگام شستن کثیفی را از پارچه بیرون بکشد.
به لطف آن، الگوهای شبیهسازی شده روی پوست بدنه خودرو بسیار واضحتر و گویاتر شدهاند. و برای افزودن به عیوب طبیعی آنها، این مدل با در نظر گرفتن برخوردهای تصادفی بین سلول های فردی پیچیده شد.
و همراه با الگوها، “خطاهای” مشابه نیز ظاهر می شود: نوارها به طور ناهموار ضخیم می شوند، با شکستگی در مکان ها. لبه های شش ضلعی در مکان هایی به هم نمی رسند و پیچ خورده یا توده به نظر می رسند. نقاط داخل شش ضلعی گسترش یا ادغام می شوند. بهترین بخش این است که درجه این نقص ها قابل تنظیم است.
یک نسخه ساده شده از واقعیت
نویسندگان اعتراف می کنند که مدل آنها یک نسخه ساده شده از واقعیت است. این برهمکنشهای پیچیدهتر بین سلولها را در نظر نمیگیرد و مانند مدل اولیه تورینگ، مکانیسمهای بیولوژیکی خاص تولید رنگدانه را آشکار نمیکند.
با این حال، مدل تورینگ اساس را پایه گذاری کرد و به دانشمندان اجازه داد تا شکل گیری مدل را برای بسیاری از اهداف عملی دستکاری کنند. محققان از آن برای ایجاد الگوهایی در کلنی های در حال رشد E. coli، تغییر خطوط راه راه گورخرماهی، توسعه فیلترهای آب دریا کارآمدتر و حتی درک الگوهای سکونت انسان استفاده کرده اند.
گوپتا می گوید: «ما مطالعه می کنیم که چگونه طبیعت این کار را انجام می دهد تا بتوانیم بعداً آن را تکرار کنیم. او مشتاق است بفهمد که چگونه طبیعت «الگوهای غیرمعمول اما منحصربهفردی را ایجاد میکند که برای چندین دهه زیستشناسان را مجذوب خود کرده است».