لم تتوقف الأسماك المتواضعة ذات الزعانف لسنوات عديدة عن إدهاش العلماء ومحبي المحيطات.
وعلى الرغم من شكلها الزاوي، فإنها تسبح بخفة حركة مدهشة، مما يترك الباحثين في حيرة من أمرهم بشأن كيفية القيام بذلك. علاوة على ذلك، فهي جذابة للغاية: بشفاه ممتلئة وأجسام مكعبة الشكل، مطلية بأنماط مشرقة وملفتة للنظر – نقاط منقطة وخطوط وأكثر من ذلك.
يهتم الباحثون من جامعة كولورادو بولدر بشكل خاص بالبقع والخطوط والأشكال السداسية الموجودة على جسم حيوان الأراكانا الأسترالي. واكتشفوا أن كل هذه الأنماط الموجودة على جلده يمكن وصفها وإعادة إنتاجها رياضيا باستخدام النظرية التي وضعها آلان تورينج، الذي يعتبر أبو الحوسبة الحديثة، في منتصف القرن الماضي.
تم تقديم نموذج رياضي يعيد إنتاج حتى أصغر تفاصيل النموذج الموجود على جسم الطلاء بدقة، بما في ذلك الحبوب الطبيعية و”العيوب” الأخرى، في إصدار المجلة. إنه يجعل العلماء أقرب إلى الفهم الدقيق لكيفية تشكل هذه الأنماط المعقدة في الطبيعة على جلد الأسماك والكائنات الحية الأخرى، كما يوضح المهندس الكيميائي أنكور جوبتا، أحد المؤلفين.
وقال: “هذا يساعد على سد الفجوة بين النماذج الرياضية الصارمة والجمال الفوضوي النابض بالحياة للعالم الحقيقي”.
يمكن أن تساعد هذه المعرفة في إنشاء أقمشة مموهة تحاكي الألوان الطبيعية أو تعزيز تطوير الروبوتات الناعمة التي تستخدم مواد مرنة بدلاً من الهياكل الصلبة.
أفكار مطورة منذ 70 عامًا
يطور هذا البحث نموذجًا نظريًا نشره تورينج عام 1952. وهو يعتمد على تفاعل عمليتين: الانتشار، عندما تحاول الجسيمات ملء كل المساحة المتاحة بالتساوي، والتفاعلات الكيميائية بينهما.
عادة، يؤدي الانتشار إلى التجانس – على سبيل المثال، إذا قمت بإسقاط الطلاء في الماء، فإنه سيشكل تدريجياً محلولاً من لون واحد. لكن تورينج أثبت أنه في ظل ظروف معينة، فإن الجمع بين الانتشار والتفاعل الكيميائي، على العكس من ذلك، يمكن أن يخلق تلقائيًا هياكل منظمة: خطوط وبقع وأنماط أخرى. أصبحت هذه فيما بعد تُعرف باسم نماذج تورينج.
تساعد الرياضيات وراء هذه الأنماط في تفسير كيفية رسم الطبيعة لبقع الفهد، والمنحنيات على أصداف الرخويات، والعديد من الأنماط البيولوجية الأخرى. ويصف النموذج نفسه تكوين بصمات الأصابع البشرية، ونمط تموجات الرمال في الأسفل، وتوزيع المادة في المجرات.
يمكن لبرامج الكمبيوتر التي تحاكي عمليات الانتشار والتفاعل إعادة إنتاج بعض النماذج البيولوجية. ولكن وفقًا لغوبتا، غالبًا ما تبدو نتائجها عقيمة ومثالية للغاية، دون الخشونة المتأصلة في الطبيعة – خطوط الصدع، أو السماكة غير المتساوية أو التحبب. وحتى نموذجهم الخاص، الذي يحاكي سلوك الخلايا الصبغية في جلد الجسم، أنتج في البداية أنماطًا ضبابية وغير واضحة.
يقول جوبتا: “تميل أنظمة الانتشار بطبيعتها إلى أن تكون ضبابية”. “فكيف تخلق الطبيعة أنماطًا واضحة؟”
في عام 2023، وجد أحد طلاب جوبتا حلاً عن طريق إضافة نوع مختلف من حركة الخلايا إلى النموذج. ووفقا للباحث، يمكن للخلايا الموجودة في السائل أن تتجمع معًا وتتحرك معًا، ويجرفها تدفق الجزيئات الأخرى المنتشرة. هذه العملية، التي تسمى الانتشار، هي نفس العملية التي تجعل الصابون يسحب الأوساخ من الأقمشة عند غسلها.
وبفضل ذلك، أصبحت الأنماط المحاكاة على جلد جسم السيارة أكثر وضوحًا وتعبيرًا. ولزيادة عيوبها الطبيعية، كان النموذج معقدًا من خلال مراعاة الاصطدامات العشوائية بين الخلايا الفردية.
وإلى جانب الأنماط، تظهر أيضًا “أخطاء” مماثلة: تصبح الخطوط سميكة بشكل غير متساو، مع وجود فواصل في بعض الأماكن؛ حواف الشكل السداسي لا تلتقي في أماكن وتبدو ملتوية أو متكتلة؛ النقاط الموجودة داخل الشكل السداسي تمتد أو تندمج معًا. وأفضل ما في الأمر هو أنه يمكن تعديل درجة هذه العيوب.
نسخة مبسطة من الواقع
يعترف المؤلفون بأن نموذجهم هو نسخة مبسطة من الواقع. فهو لا يأخذ في الاعتبار التفاعلات الأكثر تعقيدًا بين الخلايا، ومثل نموذج تورينج الأصلي، لا يكشف عن الآليات البيولوجية المحددة لإنتاج الصبغة.
ومع ذلك، وضع نموذج تورينج الأساس، مما سمح للعلماء بمعالجة تكوين النموذج للعديد من الأغراض العملية. وقد استخدمه الباحثون لإنشاء أنماط في مستعمرات الإشريكية القولونية المتنامية، وتغيير خطوط أسماك الزرد، وتطوير مرشحات أكثر كفاءة لمياه البحر، وحتى فهم أنماط المستوطنات البشرية.
يقول غوبتا: “نحن ندرس كيف تفعل الطبيعة ذلك حتى نتمكن من تكراره لاحقًا”، دون أن يخفي أن دافعنا في المقام الأول هو الفضول العلمي البسيط. وهو حريص على فهم كيف تخلق الطبيعة “أنماطًا غير عادية ولكنها فريدة من نوعها والتي فتنت علماء الأحياء لعقود من الزمن”.