طرح‌ها و نقش و نگار روی پوست حیوانات، از خز گرفته تا فلس، نه تنها کسل‌کننده نیستند، بلکه مملو از رنگ‌ها و الگوهای وحشی هستند. این طرح‌های الهام‌گرفته از ریاضیات مانند خال‌های پلنگ و خطوط ببر، به همان اندازه که پیچیده هستند، جذاب نیز هستند. اما حیوانات چگونه صاحب خال‌ها، راه‌راه‌ها و تمام طرح‌های بینابینی شدند؟ این سؤالی است که دهه‌ها دانشمندان و ریاضیدانان را گیج کرده است، اما یک گروه تحقیقاتی ممکن است به پاسخ نزدیک‌تر شده باشد.
رمزگشایی از خال‌ها و خطوط حیوانات
معمایی که حتی یک رمزگشای معروف هم نتوانست حل کند
در سال ۱۹۵۲، آلن تورینگ، ریاضیدان بریتانیایی، این فرضیه را مطرح کرد که بافت در حال رشد، عوامل شیمیایی تولید می‌کند که در آن حرکت می‌کنند؛ شبیه به پخش شدن شیر سفید در قهوه سیاه. در نظریه تورینگ، برخی از این مواد شیمیایی سلول‌های تولیدکننده رنگدانه را فعال کرده و خال‌ها را می‌سازند. سایر مواد شیمیایی این سلول‌ها را متوقف کرده و فضاهای خالی بین خال‌ها را ایجاد می‌کنند. با این حال، شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مبتنی بر ایده تورینگ، خال‌هایی را ایجاد کردند که تارتر از آن‌هایی بودند که در طبیعت یافت می‌شوند.
در سال ۲۰۲۳، آنکور گوپتا، مهندس شیمی از دانشگاه کلرادو در بولدر، و همکارانش، با افزودن مکانیسم دیگری به نام دیفوزیوفورزیس (diffusiopherosis)، نظریه تورینگ را بهبود بخشیدند. دیفوزیوفورزیس فرآیندی است که در آن ذرات در حال پخش شدن، ذرات دیگر را با خود می‌کشند. این شبیه به نحوه تمیز شدن لباس‌های کثیف در لباسشویی است؛ همانطور که صابون از لباس خارج شده و وارد آب می‌شود، کثیفی و جرم را از پارچه دور می‌کند.
گوپتا از الگوی شش‌ضلعی بنفش و سیاه ماهی جعبه‌ای آراسته (ornate boxfish)، یک گونه درخشان که در سواحل استرالیا یافت می‌شود، برای آزمایش استفاده کرد. او دریافت که دیفوزیوفورزیس می‌تواند الگوهایی با مرزهای شارپ‌تر نسبت به مدل اصلی تورینگ ایجاد کند، اما این نتایج کمی بیش از حد بی‌نقص بودند. تمام شش‌ضلعی‌ها هنوز هم اندازه و شکل یکسان داشتند و فاصله‌های بین آن‌ها هم مشابه بود. در طبیعت، هیچ الگویی بی‌نقص نیست. به عنوان مثال، خطوط سیاه یک گورخر ضخامت‌های متفاوتی دارند، در حالی که شش‌ضلعی‌های روی ماهی جعبه‌ای نیز هرگز کاملاً یکنواخت نیستند. بنابراین، گوپتا و تیمش در صدد اصلاح نظریه دیفوزیوفورزیس خود برآمدند.
گوپتا در بیانیه‌ای گفت: «نقص‌ها در همه جای طبیعت وجود دارند. ما ایده ساده‌ای را مطرح کردیم که می‌تواند توضیح دهد چگونه سلول‌ها برای ایجاد این تنوع‌ها مونتاژ می‌شوند.»
شبیه‌سازی با الهام از توپ‌ها در یک لوله
در مطالعه‌ای که امروز در ژورنال Matter منتشر شد، گوپتا و تیمش جزئیات چگونگی تقلید از الگوها و بافت‌های ناقص موجود در طبیعت را شرح دادند. پس از تعیین اندازه‌های مشخص برای تک تک سلول‌ها و سپس مدلسازی نحوه حرکت هر یک در بافت، شبیه‌سازی‌ها شروع به تولید الگوهای کمتر یکنواخت کردند.
این فرآیند شبیه به نحوه حرکت توپ‌هایی با اندازه‌های مختلف در یک لوله است. توپ‌های بزرگ‌تر مانند یک توپ بسکتبال یا بولینگ، طرح‌های ضخیم‌تری نسبت به توپ‌های گلف یا پینگ‌پنگ ایجاد می‌کنند. این مورد در مورد سلول‌ها نیز صادق است؛ وقتی سلول‌های بزرگ‌تر خوشه‌بندی می‌کنند، الگوهای گسترده‌تری می‌سازند. اگر همان توپ‌ها که در لوله حرکت می‌کنند به هم برخورد کرده و آن را مسدود کنند، یک خط پیوسته شکسته می‌شود. هنگامی که سلول‌ها با همان ترافیک مواجه می‌شوند، نتیجه آن شکستگی‌ها در خطوط (راه‌راه‌ها) است.
گوپتا اظهار داشت: «ما توانستیم این نقص‌ها و بافت‌ها را به سادگی با تعریف اندازه برای این سلول‌ها به تصویر بکشیم.» شبیه‌سازی‌های جدید آن‌ها شکستگی‌ها و بافت‌های دانه‌دانه را نشان داد که شباهت بیشتری به طرح‌های موجود در طبیعت دارند.
اهمیت این کشف
در آینده، تیم قصد دارد برای بهبود دقت شبیه‌سازی‌های خود، از تعاملات پیچیده‌تر بین سلول‌ها و عوامل شیمیایی پس‌زمینه استفاده کند. درک چگونگی مونتاژ سلول‌های الگو‌ساز می‌تواند به مهندسان کمک کند تا موادی را توسعه دهند که بتوانند بر اساس محیط خود تغییر رنگ دهند، درست مانند پوست آفتاب‌پرست. همچنین ممکن است به ایجاد رویکردهای مؤثرتری برای تحویل هدفمند دارو به بخش خاصی از بدن کمک کند.
گوپتا در پایان گفت: «ما از زیبایی ناقص [یک] سیستم طبیعی الهام می‌گیریم و امیدواریم در آینده این نقص‌ها را برای ایجاد انواع جدیدی از عملکردها مهار کنیم.» آیا می‌خواهید بدانید کاربردهای احتمالی این تکنولوژی در تولید مواد تغییر رنگ‌دهنده یا تحویل دارو به طور خاص چگونه خواهد بود؟
source
کلاس یوس