یک مطالعه علمی گزارش کرده است که زیبایی شگفتانگیز الگوهای حیوانات — از خطوط ببر و گورخر گرفته تا خالهای پلنگ — نه نتیجه دقت ریاضی کامل، بلکه نتیجهی نقصهای طبیعی کوچک است که به آنها آن لمس منحصربهفرد را میدهد.
به گزارش جماران به نقل از مجله علمی این مطالعه که در دانشگاه کلرادو بولدر آمریکا انجام شده است، مکانیزم جدیدی را برای توضیح چگونگی شکلگیری این الگوهای شگفتانگیز در طبیعت معرفی کرده و نشان داده است چگونه حتی نقصها به گونهای ایجاد میشوند که میتوان آن را «زیبایی ناپاک» توصیف کرد.
عوامل بازدارنده
مطالعه توضیح میدهد که دانشمندان دههها تلاش کردند رمز تنوع نقشهای حیوانی را کشف کنند، از زمانیکه ریاضیدان آلن تورینگ در سال ۱۹۵۲ نظریه مشهور خود درباره شکلگیری الگوها در بافتهای زنده را ارائه داد.
بر اساس این نظریه، سلولها در طول رشد خود موادی شیمیایی تولید میکنند که به آنها «عوامل فعالکننده» و «عوامل بازدارنده» گفته میشود. این مواد با یکدیگر تعامل میکنند، درست مانند ترکیب شیر و قهوه: برخی تولید رنگ را تحریک میکنند و برخی آن را بازمیدارند، که منجر به ایجاد خالها یا خطوط میشود. با این حال، مدلهای رایانهای مبتنی بر این نظریه معمولاً الگوهایی محو و بدون لبههای واضح تولید میکردند، بسیار متفاوت از دقت خالها و خطوط واقعی در طبیعت.
پیشرفت کلیدی
مطالعه نشان میدهد که تحول مهم در درک این پدیده زمانی رخ داد که مکانیزمی به نام «انتشار کششی» به مدل تورینگ اضافه شد. این فرآیند زمانی اتفاق میافتد که ذرات در یک محیط تحت تأثیر حرکت ذرات دیگر قرار میگیرند.
دانشمندان این پدیده را شبیه «شستشو» توصیف کردند: هنگامی که صابون در آب پخش میشود، آلودگیها را با خود میبرد. اعمال این مفهوم بر سلولهای تولیدکننده رنگ نشان داد که سلولها فقط بهطور تصادفی حرکت نمیکنند، بلکه همدیگر را هنگام حرکت میکشند، و این منجر به ایجاد الگوهای دقیق با لبههای واضح شد.
تیم تحقیقاتی با استفاده از این ایده موفق شد الگوی ششضلعی بنفش و سیاه پوست ماهی به نام «قورباغه زینتی» که در اطراف استرالیا زندگی میکند، را شبیهسازی کند.
نتایج نشان داد که ترکیب مکانیزم تورینگ و انتشار کششی منجر به تولید الگوهایی بسیار واقعیتر شد. اما نکته شگفتآور این بود که الگوهای تولید شده تقریباً کامل و بدون نقص بودند، در حالی که در طبیعت هیچ موجودی دارای نقش کاملاً متقارن نیست.
نقصهای طبیعی
مطالعه نشان داد که طبیعت به کمال ریاضی نمیاندیشد: ضخامت خطوط گورخر از نقطهای به نقطه دیگر متفاوت است و اندازه خالهای پلنگ تغییر میکند و هیچ پوست حیوانی دارای نقشی تکراری دقیق نیست.
برای بهبود مدل، پژوهشگران اندازه سلولها را نیز در نظر گرفتند. هنگامی که ایده هر سلول با اندازه و شکل منحصر به فرد و حرکت مستقل در بافت وارد شد، الگوهای دیجیتال تولید شده نقصهایی مشابه آنچه در پوست واقعی دیده میشود، به دست آوردند.
این مدل شبیه جریان توپهای پینگپنگ با اندازههای مختلف در یک لوله است: توپهای بزرگ خطوط ضخیمتر و توپهای کوچک خطوط نازکتر ایجاد میکنند. تجمع سلولهای بزرگ در یک ناحیه باعث ایجاد خالها یا خطوط پهن میشود و برخورد سلولها موجب شکستگی و گسست خطوط میگردد. به این ترتیب نقصهایی ایجاد میشوند که هر الگو را منحصر به فرد میکنند.
شبیهسازی کامپیوتری
مطالعه تأکید میکند که حتی تغییرات کوچک در حرکت یا اندازه سلولها میتواند تفاوتهای بزرگی در شکل نهایی الگو ایجاد کند، که توضیح میدهد چرا نقشها در افراد یک گونه متفاوت هستند.
این فهم جدید نه تنها جنبه نظری یا زیباییشناختی دارد، بلکه میتواند به نوآوریهای عملی در حوزههای مختلف منجر شود. همانطور که فناوری سونار از شنوایی خفاشها الهام گرفت، تقلید از مکانیزم شکلگیری الگوهای پوست میتواند راه را برای طراحی مواد هوشمند باز کند، از جمله پارچههایی که رنگ خود را بسته به نور، دما یا محیط تغییر دهند، درست مانند پوست آفتابپرست.
همچنین در زمینه پزشکی، فهم حرکت سلولهای رنگی و تعامل آنها میتواند در طراحی سیستمهای دقیق توزیع دارو کمک کند. اگر بتوان سلولهای مصنوعی یا مولکولهای دارویی را به گونهای هدایت کرد که به صورت کنترلشده در بافتها تجمع یا انتشار یابند، درمانهای مؤثرتر و کمخطرتر ممکن میشود.
مطالعه نشان میدهد که طبیعت میتواند معلم اصلی نوآوری علمی باشد: سیستمهای طبیعی به دنبال کمال نیستند، بلکه تعادلی بین نظم و تصادف ایجاد میکنند. شبیهسازی این فرآیندها در کامپیوتر، با در نظر گرفتن اندازه هر سلول، گامی کلیدی برای تولید مدلهای واقعیتر بود.
پژوهشگران قصد دارند در آینده شبیهسازیهای سهبعدی ایجاد کنند تا نحوه تعامل الگوها بر روی اجسام غیرمسطح، مانند بالههای ماهی یا بالهای پروانهها، را بررسی کنند، که میتواند درک عمیقتری از تنوع رنگها و نقشها فراهم آورد.
