أنماط حيوانية معقدة: دراسة جديدة يمكن أن تجيب على هذا السؤال

قم بالتسجيل في النشرة الإخبارية للعلوم Wonder Theory على قناة CNN. استكشف الكون بأخبار الاكتشافات الرائعة والتقدم العلمي والمزيد.

سي إن إن
—

لا تفتقر سمكة البقس المزخرفة ذات الأنماط المذهلة إلى التفاصيل عندما يتعلق الأمر ببقعها السداسية وخطوطها الحادة – فالعلامات المعقدة حادة للغاية في الأنواع لدرجة أن مهندسيها في جامعة كولورادو بولدر كانوا محيرين. حول كيفية الحصول على هذا المظهر المميز.

آلان تورينج، عالم رياضيات مشهور اخترع الحوسبة الحديثة، اقترح منذ أكثر من 70 عامًا أن الحيوانات حصلت على أنماطها من خلال إنتاج عوامل كيميائية من شأنها أن تنتشر عبر أنسجة الجلد، على غرار الطريقة التي يحدث بها كريمر في القهوة. سوف تتفاعل المواد الكيميائية بينما تمنع العوامل الأخرى نشاطها، مما يؤدي إلى تكوين النمط. لكن نظرية تورينج لم تشرح كيف ستبقى الأنماط محددة في أنواع مثل سمكة الصندوق المزخرفة.

اكتشف فريق المهندسين في جامعة كولورادو بولدر كيف يمكن لآلية تسمى الرحلان الانتشاري أن تخلق أنماطًا حادة في دراسة جديدة نُشرت الأربعاء في مجلة Science Advances. تصف عملية الرحلان الانتشاري حركة الجزيئات العالقة في السائل استجابة لـ أ تدرج التركيز من مادة كيميائية منفصلة، ​​مما يتسبب في تركيز الجزيئات الصغيرة، في هذه الحالة الكروماتوفورز (الخلايا الصبغية)، وتجمعها معًا.

عندما قام العلماء بحساب معادلة تورينج، المعدلة لتشمل هذه العملية، أظهرت عمليات المحاكاة التي قاموا بإنشائها أن مسار الجزيئات كان دائمًا يخلق خطوطًا عريضة، على عكس البقع الغامضة وغير المحددة التي ستنشئها نظرية تورينج وحدها.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة: “ما أثار فضولنا نوعًا ما هو أنه إذا كان الأمر منتشرًا، فلا ينبغي أن تكون الأنماط حادة … ولا ينبغي أن تكون الألوان ملفتة للنظر إلى هذا الحد”. أنكور غوبتا، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية والبيولوجية في جامعة كولورادو بولدر. “إذن، ما الذي يمنح هذه الحدة المذهلة لهذه الأنماط؟ وهنا يأتي دور الرحلان الانتشاري.

تشير النتائج التي توصل إليها المهندسون إلى أنه مع انتشار العوامل الكيميائية، تتشكل الكروماتوفور يتم سحبها أيضًا على طول مسارها في عملية الرحلان الانتشاري، مما يؤدي إلى إنشاء بقع وخطوط ذات مخطط أكثر وضوحًا، وفقا لبيان صحفي على الدراسة.

وقال غوبتا إنه يأمل أن تعزز النتائج المزيد من الأبحاث حول الرحلان الانتشاري فيما يتعلق بتكوين الجنين والورم بالإضافة إلى التمويه والعمليات البيولوجية للأنواع الأخرى.

وقال: “إن فكرة شحذ الواجهات هي فكرة جيدة، وهي بالتأكيد مهمة للوظيفة البيولوجية”. دكتور أندرو كراوس، أستاذ مساعد في الرياضيات التطبيقية في جامعة دورهام في المملكة المتحدة درس نظرية تورينج، في رسالة بالبريد الإلكتروني.

“إن الأفكار الرياضية مثل الانتشار غالبًا ما تؤدي إلى واجهات “سلسة” أو مستمرة، في حين أن معظم الحدود في الأنسجة البيولوجية (على سبيل المثال، مثل الحدود بين أعضائك) تكون صلبة نسبيًا. وقال كراوس، الذي لم يشارك في الدراسة: “إنها على الأقل طريقة واحدة ممكنة لشحذ مناطق التعبير الجيني”.

ظهرت فرضية تورينج لأول مرة في عام 1952 في ورقة بحثية كتبها بعنوان “الأساس الكيميائي للتشكل”. جادلت نظريته بأن الأنماط الحيوانية لم تكن عشوائية، بل كانت عبارة عن عملية تفاعل كيميائي وانتشار تؤدي بشكل منهجي إلى ظهور بقع على النمر أو خطوط على النمر، وفقًا لـ جامعة وارويك.

وقال إنه في حين أن عملية الانتشار هي تعديل مقترح لصقل نظرية تورينج بناءً على الدراسة الحديثة، إلا أنه قد تكون هناك حلول أخرى ممكنة. جيريمي جرين، أستاذ علم الأحياء التنموي في كينجز كوليدج لندن.

وقال جرين، الذي لم يشارك في الدراسة، في رسالة بالبريد الإلكتروني: “الخلايا لزجة للغاية ومن غير المرجح أن تتحرك عن طريق الرحلان الانتشاري”. “إن تحرك الخلايا لشحذ نمط تورينج (أو في الواقع أي حدود) ليس فكرة جديدة، ويمكن أن يحدث ليس فقط عن طريق الانجذاب الكيميائي (الهجرة النشطة للخلايا) ولكن أيضًا عن طريق آليات أخرى.”

وقال جرين إنه يعتقد أنه من المرجح أن تؤثر الدراسة على النمذجة والتجريب في المستقبل، ولكن لا تزال هناك ثغرات في نظرية تورينج لم يتم استكشافها بعد. شارك جرين في تأليف أ دراسة فبراير 2012 التي وجدت أدلة تدعم نظرية تورينج عندما يتعلق الأمر بالنتوءات الموجودة في حنك الفأر.

وقال جوبتا في رسالة بالبريد الإلكتروني: “لقد أخذنا في الاعتبار الاحتمالات الأخرى في بحثنا واعترفنا بوجود عمليات مثل الانجذاب الكيميائي، أي هجرة الخلايا”. “نحن لا ننوي الادعاء بأن عملية الرحلان الانتشاري هي الآلية الوحيدة، ولكنها بالأحرى موجودة ولم يتم تقديرها بشكل صحيح. ويساعد تضمين الانتشار في تحسين قوة مثل هذه التنبؤات.