Στη φύση, μοτίβα χημικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ δύο διαφορετικών ουσιών πιστεύεται ότι διέπουν τα σχέδια που βλέπουν τα μάτια μας – για παράδειγμα, τις ρίγες μιας ζέβρας. Αυτά τα ραβδωτά σχέδια διέπονται από μια μαθηματική βάση που δυνητικά επιβλέπει ένα άλλο εντελώς άσχετο πράγμα – τα κυματιστά σχέδια που σχηματίζονται από την κίνηση του σπέρματος. Σύμφωνα με α
μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 27 Σεπτεμβρίου στο περιοδικό
Επικοινωνίες για τη φύση
η ίδια μαθηματική θεωρία θα μπορούσε να διασχίσει και τα δύο.
[Related:
Monarch butterflies’ signature color patterns could inspire better drone design
.]
Για να κατανοήσουμε τη σύνδεση, πρέπει να πάμε περισσότερα από 70 χρόνια πίσω. Οι κυματιστές κυματισμοί της ουράς ενός σπέρματος —ή των μαστιγίων— δημιουργούν ριγέ μοτίβα στο χωροχρόνο. Αυτά τα μοτίβα δυνητικά ακολουθούν το ίδιο πρότυπο που πρότεινε ο μαθηματικός Άλαν Τούρινγκ, ένας από τους πιο διάσημους επιστήμονες του 20ου αιώνα. Ο Τούρινγκ είναι πιο γνωστός για τη συμβολή του στο σπάσιμο του κώδικα αινίγματος κατά τη διάρκεια του Β’ Παγκοσμίου Πολέμου και για την εγκαινίαση μιας νέας εποχής στην επιστήμη των υπολογιστών, αλλά ανέπτυξε επίσης ένα
Η θεωρία ονομάζεται ανεπίσημα θεωρία αντίδρασης-διάχυσης για σχηματισμό προτύπων
. Αυτή η θεωρία του 1952 προέβλεψε ότι αναγνωρίσιμα μοτίβα στη φύση μπορεί να εμφανιστούν αυθόρμητα όταν οι χημικές ουσίες μέσα στα αντικείμενα ή τους οργανισμούς διαχέονται και στη συνέχεια αντιδρούν μαζί.
Ενώ αυτή η θεωρία
δεν έχει αποδειχθεί καλά από πειραματικά στοιχεία
, η θεωρία του Turing πυροδότησε περισσότερη έρευνα για τη χρήση των μαθηματικών αντίδρασης-διάχυσης ως τρόπο κατανόησης των φυσικών προτύπων. Αυτά τα λεγόμενα μοτίβα Turing πιστεύεται ότι κυβερνούν
λεοπάρ κηλίδες
στρόβιλοι του
σπόροι σε κεφάλια ηλίανθου
και ακόμα
σχέδια άμμου
στην παραλία.
Σε αυτό
νέα μελέτη
μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ στην Αγγλία χρησιμοποίησε μοτίβα Turing ως τρόπο για να εξετάσει την κίνηση των μαστιγίων του σπέρματος και τα δονούμενα κύτταρα που μοιάζουν με τρίχες που ονομάζονται βλεφαρίδες.
«Η ζωντανή αυθόρμητη κίνηση των μαστιγίων και των βλεφαρίδων παρατηρείται παντού στη φύση, αλλά λίγα είναι γνωστά για τον τρόπο με τον οποίο ενορχηστρώνονται», ο συν-συγγραφέας της μελέτης και μαθηματικός Hermes Gadêlha.
είπε σε δήλωση
. «Είναι κρίσιμα για την υγεία και τις ασθένειες, την αναπαραγωγή, την εξέλιξη και την επιβίωση σχεδόν κάθε υδρόβιου μικροοργανισμού [on] γη.”
Οι μαστιγωτοί κυματισμοί πιστεύεται ότι δημιουργούν μοτίβα λωρίδων στο χωροχρόνο, με τη μορφή των κυμάτων που ταξιδεύουν κατά μήκος της ουράς για να οδηγήσουν το σπέρμα προς τα εμπρός όταν είναι σε υγρό. Για να δούμε βαθύτερα, ο Gadêlha και η ομάδα του χρησιμοποίησαν
μαθηματική μοντελοποίηση, προσομοιώσεις και προσαρμογή δεδομένων
για να δείξει ότι η κυματιστή κίνηση των μαστιγίων μπορεί στην πραγματικότητα να προκύψει αυθόρμητα χωρίς την επίδραση του υγρού στο περιβάλλον τους. Σύμφωνα με την ομάδα, αυτό είναι μαθηματικά ισοδύναμο με το σύστημα αντίδρασης-διάχυσης του Turing που προτάθηκε για πρώτη φορά για χημικά μοτίβα πριν από περισσότερα από 70 χρόνια.
Για το σπέρμα που κολυμπά, οι χημικές αντιδράσεις των μοριακών κινητήρων τροφοδοτούν την ουρά του και η κίνηση κάμψης διαχέεται κατά μήκος της ουράς σε κύματα. Το ίδιο το υγρό παίζει πολύ μικρό ρόλο στο πώς κινείται η ουρά.
[Related:
The genes behind your fingerprints just got weirder
.]
«Δείχνουμε ότι αυτή η μαθηματική «συνταγή» ακολουθείται από δύο πολύ απομακρυσμένα είδη: το σπέρμα ταύρου και
Χλαμυδομόνας
(ένα πράσινο φύκι που χρησιμοποιείται ως πρότυπο οργανισμό σε όλη την επιστήμη), υποδηλώνοντας ότι η φύση αναπαράγει παρόμοιες λύσεις», είπε ο Gadêlha. «Τα ταξιδιωτικά κύματα αναδύονται αυθόρμητα ακόμα και όταν το μαστίγιο δεν επηρεάζεται από το περιβάλλον υγρό. Αυτό σημαίνει ότι το μαστίγιο έχει έναν ανόητο μηχανισμό που επιτρέπει την κολύμβηση σε περιβάλλοντα χαμηλού ιξώδους, κάτι που διαφορετικά θα ήταν αδύνατο για τα υδρόβια είδη. Είναι η πρώτη φορά που οι προσομοιώσεις μοντέλων συγκρίνονται καλά με πειραματικά δεδομένα».
Τα ευρήματα αυτής της μελέτης θα μπορούσαν να βοηθήσουν στην κατανόηση των προβλημάτων γονιμότητας που σχετίζονται με την ανώμαλη κίνηση των μαστιγίων, τις ασθένειες που προκαλούνται από αναποτελεσματικές βλεφαρίδες και να εφαρμοστούν στη ρομποτική. Αλλα
μπορεί να υπάρχουν μοντέλα στη φύση
που θα μπορούσε να παρέχει περαιτέρω πειραματική απόδειξη του προτύπου του Turing, αλλά χρειάζεται περισσότερη έρευνα.
