معلومة

7.1: أنماط تورينج لتوليد المشارب والبقع - علم الأحياء

7.1: أنماط تورينج لتوليد المشارب والبقع - علم الأحياء



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

كان آلان تورينج عالم رياضيات بريطانيًا كان مصمم تشفير ورائدًا في علوم الكمبيوتر. كهواية جانبية ، كان أيضًا عالم أحياء نظريًا طور خوارزميات لمحاولة شرح الأنماط المعقدة باستخدام مدخلات بسيطة وتقلب عشوائي. يستخدم نموذج "رد الفعل-الانتشار" الخاص به نظامًا ثنائي البروتين لتوليد نمط من البقع المتباعدة بانتظام ، والتي يمكن تحويلها إلى خطوط بقوة خارجية ثالثة. في هذا النموذج ، يوجد بروتين منشط واحد ينشط نفسه وبروتين مثبط ، والذي يثبط المنشط فقط1. في حد ذاته ، لن ينتج عن التعبير العابر للبروتين المنشط سوى نمط من "كلا البروتينين متوقفين" أو "بقعة المثبط قيد التشغيل" لأن المنشط ينشط المانع ، وبالتالي يوقف التعبير عن المنشط (حالة الشكل 1). تصبح الأمور أكثر إثارة عندما تنتشر الجزيئات أو تنتقل عبر الأنسجة. في هذه الحالة ، يتم تشغيل المنشط بشكل عشوائي ويبدأ في الانتشار بعيدًا عن مصدره النقطي ، وينشط نفسه في الخلايا المجاورة. في الوقت نفسه ، ينشط المانع ، والذي ينتشر أيضًا بعيدًا عن مصدر النقطة ، مما يثبط المنشط. اعتمادًا على توقيت التنشيط والانتشار أو النقل ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تكوين حلقة موسعة من تعبير المنشط (الشكل 1 بمعدلات متساوية). للحصول على البقع ، نحتاج إلى طبقتين إضافيتين من التعقيد. أولاً ، يجب أن تكون هناك تقلبات عشوائية في التعبير تؤدي إلى تشغيل المنشط عند مستويات منخفضة عبر الأنسجة. ثانيًا ، يجب أن ينتشر المنشط بشكل أبطأ من المانع. في هذه الحالة ، يمكن تثبيت النقاط العشوائية للمنشط عندما تكون بعيدة بما يكفي عن بعضها البعض. تنشط كل بقعة صغيرة تعبير المنشط (الذي لا ينتشر بعيدًا بسرعة) والمثبط (الذي ينتشر بعيدًا بسرعة كبيرة جدًا لإزالة تعبير المنشط تمامًا من مصدر النقطة الأولي). هذا التدرج لانتشار المانع من كل بقعة يمنع أي خلايا قريبة من صنع المنشط. النتيجة الإجمالية لهذا هو نمط منتظم من البقع (الشكل 1 الألواح السفلية والجانبية). يعتمد النمط الدقيق على حجم النسيج وشكله ، وسرعة انتشار المنشط والمثبط ، بالإضافة إلى أي عناصر نمطية أخرى قد تكون موجودة.

هل يمكن للرياضيات أن تشرح كيف تحصل الحيوانات على أنماطها؟ كيف يحاكي نموذج آلان تورينج لرد الفعل والانتشار الأنماط في الطبيعة

في نسيج طويل وضيق للغاية ، يمكن أن يحدث انتشار اتجاه واحد فقط وهذا يحول نمط بقعة تورينج إلى نمط شريطي (الشكل 2). يمكن للقوى المماثلة ، مثل النمو الاتجاهي والتدرج المورفوجينيك ، أيضًا تحويل نمط البقعة إلى خطوط2. بدون قوة خارجية ، يجب أن يكون الوضع الافتراضي هو البقع أو نمط لابرينثيني متعرج ، اعتمادًا على خصائص المنشط والمثبط. يقترح Hiscock و Megason أربع طرق رئيسية للحصول على نمط شريطي. بالإضافة إلى جعل الانتشار في اتجاه واحد أكثر من الآخر ، يمكن أن يخضع النسيج لـ "تدرج إنتاج". هذا التدرج عبارة عن عامل مساعد بروتيني أو نسخ / انتقالي يؤدي إلى تعبير جيني أعلى لكل من المنشط والمثبط على جانب واحد من النسيج. تتنبأ النماذج الحسابية بأن هذا النوع من التدرج اللوني يتسبب في توجيه المشارب بشكل عمودي على التدرج اللوني (الشكل 2)2. ستتجه الشرائط بالتوازي مع "تدرج متغير" ، حيث تكون الخصائص التنشيطية والمثبطة للبروتينين أعلى في أحد طرفي النسيج عن الأخرى. يمكن إنتاج هذا النوع من التعديل من خلال تدرج بروتين أو عامل مساعد يرتبط بالمنشط ويمنعه من تنشيط التعبير الجيني ومن تثبيطه بواسطة المانع (الشكل 2)2. أخيرًا ، يمكن أن تنمو الأنسجة بشكل اتجاهي. على سبيل المثال ، تطورت أطرافك إلى حد كبير من خلال النمو بعيدًا عن جسمك (بعيدًا) ، مع معدل نمو أبطأ بكثير في اتجاهات أخرى. ويرجع ذلك إلى وجود AER في الجزء الأبعد من برعم الطرف مما يتسبب في تكاثر الخلايا تحته. يوضح النموذج الحسابي أن نموذج تورينج للتفاعل والانتشار سيولد خطوطًا موازية لاتجاه نمو الأنسجة (الشكل 2)2. يساعدنا المصغر في استكشاف هذه النماذج بشكل أكبر باستخدام ملف أداة عبر الإنترنت.


كيف حصل الحمار الوحشي على خطوطه مع آلان تورينج

من أين تأتي خطوط الحمار الوحشي وبقع النمر وأصابعنا؟ تم العثور على المفتاح منذ سنوات - من قبل الرجل الذي فك شفرة Enigma ، كتبت كات أرني.

استمع إلى النسخة الصوتية المجانية

يمكنك أيضًا قراءة هذا في

شارك هذه القصة

في عام 1952 ، نشر عالم رياضيات مجموعة من المعادلات التي حاولت تفسير الأنماط التي نراها في الطبيعة ، من الخطوط المرقطة التي تزين الجزء الخلفي من الحمار الوحشي إلى الأوراق المتدلية على جذع النبات ، أو حتى الثني والطي المعقد الذي يحول كرة من الخلايا إلى كائن حي. كان اسمه آلان تورينج.

اشتهر بتكسير كود إنجما في زمن الحرب وإسهاماته في الرياضيات وعلوم الكمبيوتر والذكاء الاصطناعي ، وقد يكون مفاجأة أن تورينغ كان لديه مثل هذا الاهتمام. في الواقع ، كان امتدادًا لسحره بأساليب العقل والطبيعة الأساسية للحياة.

تلاشى المجد السري لنجاح تورينج في زمن الحرب بحلول الخمسينيات من القرن الماضي ، وكان محاصرًا في الحدود الصناعية القاتمة لجامعة مانشستر. من الناحية النظرية ، كان هناك لتطوير برامج لواحد من أوائل أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية في العالم - مجموعة متنوعة من الصمامات والأسلاك والأنابيب - لكنه وجد نفسه محاطًا بشكل متزايد من قبل المهندسين ذوي الأصابع الدهنية الذين كانوا أكثر تركيزًا على الصواميل والمسامير أكثر من الأرقام . ربما كان هذا الانفصال مقصودًا من جانب تورينج ، بدلاً من الاستبعاد المتعمد من جانبهم ، حيث كان انتباهه ينجرف بعيدًا عن الحوسبة نحو أسئلة أكبر عن الحياة.

لقد كان وقتًا جيدًا لأكون متحمسًا لعلم الأحياء. كان الباحثون في جميع أنحاء العالم منشغلين في التعرف على طبيعة الجينات ، وكشف جيمس واتسون وفرانسيس كريك قريبًا عن بنية الحمض النووي في عام 1953. كان هناك أيضًا اهتمام متزايد بعلم التحكم الآلي - فكرة الكائنات الحية كأجهزة كمبيوتر بيولوجية يمكنها يتم تفكيكها واختراقها وإعادة بنائها. سرعان ما تم تبني تورينج في عصابة من العلماء وعلماء الرياضيات الرواد المعروفين باسم نادي النسبة ، حيث تم الترحيب والتشجيع على أفكاره حول الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي.

في ظل هذه الخلفية ، تناول تورينج موضوعًا كان يسحره منذ ما قبل الحرب. كان علم الأجنة - علم بناء طفل من خلية بويضة واحدة مخصبة - موضوعًا ساخنًا في أوائل القرن العشرين ، لكن التقدم توقف حيث أدرك العلماء أنهم يفتقرون إلى الأدوات التقنية والإطار العلمي لاكتشاف ذلك. . ربما خلص بعض المفكرين إلى أن الأعمال الداخلية للحياة كانت في الأساس غير معروفة.

نظر تورينج إلى هذا على أنه عملية تهجير. إذا كان من الممكن برمجة الكمبيوتر للحساب ، فيجب أن يكون للكائن البيولوجي نوع من المنطق الأساسي أيضًا.

شرع في العمل في جمع الزهور في ريف شيشاير ، وتفحص الأنماط في الطبيعة. ثم جاءت المعادلات - وحوش معقدة وجامحة لا يمكن حلها بأيدي وأدمغة بشرية. لحسن الحظ ، كان أحدث جهاز كمبيوتر ، Ferranti Mark I ، قد وصل لتوه إلى مانشستر ، وسرعان ما وضعه تورينج في حل الأرقام. تدريجيًا ، بدأت "نظريته الرياضية في علم الأجنة" ، كما أشار إليها ، في التبلور.

مثل جميع أفضل الأفكار العلمية ، كانت نظرية تورينج أنيقة وبسيطة: يمكن إنشاء أي نمط طبيعي متكرر من خلال تفاعل شيئين - جزيئات ، خلايا ، أيا كان - بخصائص معينة. من خلال مبدأ رياضي أطلق عليه "رد الفعل-الانتشار" ، فإن هذين المكونين سينتظمان ذاتيًا تلقائيًا في بقع أو خطوط أو حلقات أو دوامات أو نقاط مرقطة.

ركز اهتمامه بشكل خاص على المورفوجينات - الجزيئات غير المعروفة في ذلك الوقت في تطوير الكائنات الحية التي تتحكم في نموها في شكلها وبنيتها. كانت هويات وتفاعلات هذه المواد الكيميائية ، في ذلك الوقت ، غامضة مثل رمز زمن الحرب الذي يحمل نفس الاسم. استنادًا إلى التجارب الرائدة على أجنة الضفادع والذباب وقنفذ البحر منذ مطلع القرن العشرين - والتي تضمنت قطع أجزاء صغيرة جدًا من الأنسجة ولصقها على أجزاء صغيرة أخرى من الأنسجة - أدرك علماء الأحياء أنه يجب عليهم التواجد هناك. لكن لم يكن لديهم أي فكرة عن كيفية عملهم.

على الرغم من أن طبيعة مورفوجينات كانت لغزا ، إلا أن تورينج يعتقد أنه ربما يكون قد فكك كودهم. ظهرت ورقته البحثية "الأساس الكيميائي للتشكل" في المعاملات الفلسفية للمجتمع الملكي في أغسطس 1952.

للأسف ، لم يعش تورينج طويلاً بما يكفي لمعرفة ما إذا كان على حق. لقد انتحر في عام 1954 ، بعد إدانته بـ "الفحش الفادح" وما تلاه من إخصاء كيميائي - عقوبة لكونه مثليًا بشكل علني في وقت غير متسامح. في هذين العامين القصيرين ، لم يكن هناك الكثير من الإشارات إلى التحولات والانعطافات التي ستستغرقها أنماطه خلال الستين عامًا القادمة ، حيث تصارع علماء الأحياء والرياضيات بين عالم الأجنة والحوسبة المتوازيين.

عندما تتصادم البيولوجيا والرياضيات

قد يكون علم الأحياء والرياضيات - العملي والنظري - رفقاء مضطربين بشكل مدهش.

في مكتب ضيق في لندن ، بعيدًا في مكان ما في الطابق 27 من مستشفى جاي ، يشير البروفيسور جيريمي جرين من كينجز كوليدج لندن إلى شاشة.

برنامج يحاكي أنماط تورينج يعمل في نافذة صغيرة. في أعلى اليسار يوجد صندوق مربع مملوء بخطوط أحادية اللون تشبه الحمار الوحشي. بجانبها لوحة من المعادلات المنحنية للدماغ. "إنه لأمر مدهش أن تورينغ توصل إلى هذا من العدم ، لأنه ليس بديهيًا على الإطلاق" ، كما يقول جرين ، وهو ينقر بإصبعه على الرموز. "لكن المعادلات أقل إثارة للرعب مما تعتقد."

يكمن جوهر نظام تورينج في أن لديك مكونين ، يمكن لكليهما الانتشار عبر الفضاء (أو على الأقل التصرف كما لو كانا ينتشران). يمكن أن تكون هذه أي شيء من تموجات الرمل على الكثبان الرملية إلى مادتين كيميائيتين تنتقلان عبر الخلايا اللزجة اللزجة التي تحمل معًا في جنين نامي. الشيء الأساسي هو أنه مهما كانا ، فإن الشيئين ينتشران بسرعات مختلفة ، أحدهما أسرع من الآخر.

أحد المكونات هو التنشيط التلقائي ، مما يعني أنه يمكن تشغيل الآلية التي تصنع المزيد من نفسها. لكن هذا المنشط ينتج أيضًا المكون الثاني - وهو مثبط يقوم بإيقاف تشغيل المنشط. بشكل حاسم ، يجب أن يتحرك المانع بوتيرة أسرع من المنشط عبر الفضاء.

يكمن جمالها في أن أنظمة تورينج قائمة بذاتها تمامًا وذاتية البداية وذاتية التنظيم. وفقًا لـ Green ، كل ما يحتاجه المرء للبدء هو القليل من المنشط. أول شيء تفعله هو أن تصنع المزيد من نفسها. وما الذي يمنعها من التصعيد إلى الأبد؟ بمجرد وصوله إلى مستوى معين ، يتم تشغيل المانع ، والذي يتراكم لإيقافه.

يقول جرين: "إن طريقة التفكير في الأمر هي أنه مع تراكم المنشط يكون له السبق". "لذا ينتهي بك الأمر ، على سبيل المثال ، بشريط أسود ، لكن المانع يتراكم وينتشر بسرعة أكبر. عند نقطة معينة ، يلحق بالمنشط في الفضاء ويوقفه في مساراته. وهذا يجعل شريطًا واحدًا ".

من خلال هذه المكونات البسيطة ، يمكنك إنشاء عالم من الأنماط. المعادلات المخيفة هي مجرد طريقة لوصف هذين الأمرين. كل ما عليك فعله هو ضبط الشروط أو "المعلمات". تعديل معدلات الانتشار والاضمحلال ، أو تغيير مدى جودة المنشط في تشغيل نفسه ومدى سرعة المانع لإغلاقه ، يغير النمط بمهارة لإنشاء بقع أو خطوط أو دوامات أو بقع.

على الرغم من رونقها وبساطتها ، لم تكتسب فكرة تورينج رد الفعل-الانتشار سوى القليل من الأرض مع غالبية علماء الأحياء التطورية في ذلك الوقت. وبدون أن يدافع المؤلف عن أفكاره ، ظلوا في مجال مجموعة صغيرة من علماء الرياضيات. في ظل عدم وجود دليل قوي على أن آليات تورينج كانت تلعب دورًا في أي نظام حي ، بدا أن مقدّرًا لها أن تكون مصدر إلهاء أنيق ولكن غير ذي صلة.

© التمهيد الوظيفي

حسنًا ، الخطوط سهلة. ولكن ماذا عن جزء الحصان؟ "
آلان تورينج على الحمار الوحشي ، اقتبس من قبل فرانسيس كريك (1972)

كان علماء الأحياء منشغلين بالتصارع مع لغز أكبر: كيف تنظم كتلة صغيرة من الخلايا نفسها لتكوين رأس وذيل وذراعين وأرجل وكل شيء بينهما لبناء كائن حي جديد.

في أواخر الستينيات ظهر تفسير جديد ، دافع عنه عالم الأجنة البارز والمقنع لويس وولبرت وحمله فيلق من علماء الأحياء التطورية الذين ساروا على خطاه. يشير مفهوم "المعلومات الموضعية" إلى أن الخلايا في إحساس الجنين النامي حيث تكون مرتبطة بخريطة أساسية للإشارات الجزيئية (المورفوجينات الغامضة). على سبيل التفسير ، لوح وولبرت بالعلم الفرنسي.

تخيل كتلة مستطيلة من الخلايا على شكل علم. يضخ شريط من الخلايا على طول الحافة اليسرى مورفوجين - دعنا نطلق عليه Striper - ينتشر تدريجياً لإنشاء تدرج سلس للإشارة ، من الأعلى إلى الأدنى من اليسار إلى اليمين. عند استشعار مستويات Striper من حولهم ، تبدأ الخلايا في التصرف وفقًا لذلك. يتحول الأشخاص الموجودون على اليسار إلى اللون الأزرق إذا كان مستوى Striper أعلى من حد معين معين ، ويتحول أولئك الموجودون في المنتصف إلى اللون الأبيض استجابةً للمستويات المتوسطة لـ Striper التي يكتشفونها ، بينما يتحول أولئك الموجودون في أقصى اليمين إلى أقل كميات من Striper ، اذهب إلى اللون الأحمر. إت فويلا - العلم الفرنسي.

كان نموذج علم وولبرت سهل الفهم ، وقد أحبه علماء الأحياء التنموية. كل ما كان عليك القيام به لبناء كائن حي هو إنشاء منظر طبيعي لتدرجات مورفوجين ، وستعرف الخلايا بالضبط ما ستصبح - مثل الرسم بالأرقام. الأهم من ذلك ، كان من الواضح للباحثين أنه يعمل في الحياة الواقعية ، بفضل الدجاج.

حتى اليوم ، تعد أجنة الدجاج وسيلة جذابة لدراسة تطور الحيوان. يمكن للعلماء قطع نافذة في قشرة بيضة دجاجة مخصبة لمشاهدة الكتكوت بالداخل ، وحتى العبث بالملاقط للتلاعب بالجنين النامي. علاوة على ذلك ، تحتوي أجنحة الدجاج على ثلاثة هياكل عظمية طويلة مدفونة داخل طرفها ، تشبه أصابعنا. كل واحد مختلف - مثل الخطوط الثلاثة للعلم الفرنسي - مما يجعلها النظام المثالي لاختبار فكرة وولبرت.

في سلسلة من التجارب البارزة في الستينيات ، قام جون سوندرز وماري جاسلينج من جامعة ماركيت في ويسكونسن بقطع قطعة بعناية من الجانب السفلي من برعم جناح كتكوت نامٍ - تخيل أخذ قطعة من حافة يدك بإصبع صغير - و تمسكه بالجانب العلوي "الإبهام".

بدلاً من الأصابع الثلاثة المعتادة (الإبهام ، "الأصابع" الوسطى والصغيرة) ، كان للدجاج الناتج جناح مرآة - إصبع صغير ، وسط ، إبهام ، إبهام ، وسط ، إصبع صغير. كان الاستنتاج الواضح هو أن المنطقة من قاعدة الجناح كانت تنتج تدرج مورفوجين. طلبت المستويات العالية من التدرج من خلايا الجناح أن تصنع إصبعًا صغيرًا ، بينما طلبت الخلايا المتوسطة العدد الأوسط ، والمستويات المنخفضة تصنع إبهامًا.

كان من الصعب الجدال مع مثل هذه النتيجة النهائية. لكن شبح فكرة تورينج لا يزال يطارد أطراف علم الأحياء.

في عام 1979 تسبب فيزيائي تحول إلى عالم أحياء وكيميائي فيزيائي بعض الضجة. نشر ستيوارت نيومان وهاري فريش ورقة بحثية في المجلة رفيعة المستوى علم يوضح كيف يمكن لآلية من نوع تورينج أن تشرح الزخرفة في أصابع الدجاجة.

لقد قاموا بتبسيط الطرف ثلاثي الأبعاد النامي إلى مستطيل مسطح واكتشفوا معادلات التفاعل والانتشار التي من شأنها أن تولد موجات من مورفوجين تخيلي مكونًا للأرقام بداخله أثناء نموه. تعتبر الأنماط التي تم إنشاؤها بواسطة نموذج نيومان وفريش عالية الكعب ومربعة ، لكنها تبدو بشكل لا لبس فيه مثل عظام يد الروبوت.

لقد جادلوا بأن نمط تورينج الأساسي يصنع الأصابع ، والتي تُمنح بعد ذلك خصائصها الفردية من خلال نوع من التدرج العلوي - من النوع الذي اقترحه نموذج العلم الفرنسي - على عكس التدرج نفسه الذي يوجه إنشاء الأرقام.

"كان الناس لا يزالون في وضع استكشافي في السبعينيات ، وكانت ورقة تورينج الخاصة تبلغ من العمر 25 عامًا فقط في ذلك الوقت. قال نيومان ، الذي يعمل الآن في كلية الطب بنيويورك بالولايات المتحدة الأمريكية ، "كان العلماء يسمعون عنه للمرة الأولى وكان أمرًا ممتعًا". "كنت محظوظًا لأن أجعل علماء الأحياء المهتمين بالفيزياء يراجعون بحثي - لم تكن هناك أيديولوجية على الطرف الذي ظهر فيه ، وما زال الناس يتساءلون كيف يعمل كل شيء."

لقد كان بديلاً موثوقًا به لفكرة وولبرت للتدرج ، والتي نُشرت بشكل بارز في مجلة رائدة. وفقًا لنيومان ، كان الاستقبال دافئًا في البداية. "بعد نشرها مباشرة ، كتب دينيس سمربل ، أحد مساعدي وولبيرت ، رسالة لي تفيد بأنهم بحاجة إلى التفكير في فكرة تورينج ، وأنها مهمة للغاية. ثم ساد الصمت ".

بعد عام ، تغيرت وجهة نظر سمربل. نشر ورقة مشتركة مع عالم الأحياء جوناثان كوك ، أوضح أنه لم يعد يعتبرها فكرة صالحة. صدم نيومان. "من تلك النقطة لم يذكرها أحد في تلك المجموعة على الإطلاق ، باستثناء واحد - لويس وولبرت نفسه استشهد ذات مرة بورقتنا في تقرير ندوة في عام 1989 ورفضها."

لم يعتبر غالبية مجتمع علم الأحياء التطوري أنماط تورينج مهمة على الإطلاق. أغلق المعجبون بنموذج المعلومات الموضعية صفوفهم ضد نيومان. جفت الدعوات للتحدث في الاجتماعات العلمية. أصبح من الصعب عليه نشر الأبحاث والحصول على التمويل لمتابعة نماذج تورينج. ورقة بعد ورقة خرجت من العلماء الذين أيدوا نموذج العلم الفرنسي.

يشرح نيومان: "يجب أن يكون الكثير منهم محررين في المجلات - كنت أعرف بعض الزملاء الذين شعروا بالضغط عليهم لإبعاد أفكارنا عن بعض المجلات الجيدة. في مناطق أخرى ، كان الناس منفتحين على الأفكار الجديدة كما قد تتوقع ، ولكن نظرًا لأن وولبرت وأحفاده العلميين كانوا ملتزمين جدًا بفكرته ، فقد أصبح جزءًا من ثقافة عالم الأطراف. كانت جميع الاجتماعات والإصدارات الخاصة من المجلات تتمحور حولها ، لذلك كان من الصعب جدًا إزاحتها ".

وجاءت ضربات أخرى من ذبابة الفاكهة ذبابة الفاكهة سوداء البطن - كائن حي آخر محبوب من علماء الأحياء التطورية. لفترة من الوقت ، كان يُعتقد أن الخطوط المنظمة التي تتشكل في جنين الذبابة النامية تتطور من خلال آلية تورينج. ولكن في النهاية اتضح أنه تم إنشاؤها من خلال التفاعل المعقد بين تدرجات المورفوجين التي تنشط أنماطًا معينة من النشاط الجيني في المكان المناسب في الوقت المناسب ، بدلاً من نظام التخطيط الذاتي.

عين على الطاير

قد تفسر أنماط تورينج شكل الكائن الحي المحبوب في علم الأحياء.

أصيب نيومان بخيبة أمل بسبب فشل مجتمع البحث في أخذ فكرته على محمل الجد ، على الرغم من ساعات لا تحصى من العمل الإضافي على الجانبين الرياضي والجزيئي. لعقود من الزمان ، ظل بحثه ورقته فريش يائسًا في الغموض ، ويطارد نفس المجال العلمي مثل ورقة تورينج الأصلية.

© التمهيد الوظيفي

قال الفهد ، "سآخذ بعض النقاط ، لكن لا تجعلها سوقية كبيرة جدًا. لن أبدو مثل الزرافة - ليس إلى الأبد. "
"How The Leopard got his Spots"، from Rudyard Kipling’s فقط حتى القصص (1902)

يوجد في مكان مرتفع في مركز تنظيم الجينوم في برشلونة مكتب مغطى بصور ذات ألوان زاهية لأقدام فأر جنينية. تعرض كل واحدة خطوطًا أنيقة من العظام النامية المنتشرة داخل أطراف براعم تشبه الفقاعة - وهو أمر مقتنع بأنه يمكن تفسيره من خلال نموذج تورينج ، مصمم الغرفة ، عالم بيولوجيا الأنظمة جيمس شارب.

فكرة تورينج بسيطة ، لذا يمكن للمرء أن يتخيل بسهولة كيف يمكن تفسير الأنماط التي نراها في الطبيعة. وهذا جزء من المشكلة ، لأن التشابه البسيط ليس دليلاً على أن النظام يعمل - إنه مثل رؤية وجه يسوع في قطعة خبز محمصة. يعتبر سرد قصص Just So البيولوجية حول كيفية ظهور الأشياء لعبة خطيرة ، ومع ذلك تم استخدام هذا النوع من التفكير لتبرير نموذج العلم الفرنسي أيضًا.

من وجهة نظر شارب ، كان ذلك خطأ الدجاجة. يقول: "لو كانت دراسات تطور الأطراف قد بدأت بالفأر ، لكان التاريخ برمته مختلفًا تمامًا".

في رأيه ، كان هناك تحيز مدمج منذ البداية حيث كانت الأرقام مختلفة اختلافًا جوهريًا عن بعضها البعض ، مما يتطلب تعليمات فردية محددة لكل منها (يتم توفيرها من خلال "إحداثيات" مورفوجين دقيقة ، وفقًا لنموذج العلم الفرنسي). كانت هذه إحدى الحجج الأساسية التي تم تقديمها ضد دور أنماط تورينج في تنمية الأطراف - يمكنها فقط توليد نفس الشيء ، مثل شريط أو بقعة ، مرارًا وتكرارًا.

فكيف يمكن لنظام تورينج أن يصنع ثلاثة أرقام مميزة لطرف الفرخ؟ بالتأكيد يجب أن يُطلب من كل شخص أن ينمو بطريقة معينة من خلال "خريطة" متدرجة أساسية؟ لكن الفرخ لديه ثلاثة أصابع فقط. يقول شارب ، وهو يلوح بأصابعه نحوي عن طريق التظاهر: "لو كان لديهم 20 ، سترى أن الأمر لم يكن كذلك". "سيبدو كلهم ​​أكثر تشابهًا مع بعضهم البعض."

أنظر إلى يدي وأرى وجهة نظره. لدي أربعة أصابع وإبهام ، ولا يبدو أن لكل إصبع هوية فريدة خاصة به. بالتأكيد ، هناك اختلافات طفيفة في الحجم ، لكنها في الأساس هي نفسها. وفقًا لشارب ، فإن أفضل دليل على أنهم ليسوا مختلفين يأتي من أحد الافتراضات الأكثر وضوحًا ولكن غير صحيحة حول الجسد: أن لدى الناس دائمًا خمسة أصابع.

في الواقع ، يعد عدد أصابع اليدين والقدمين من أقل الأشياء قوة في طريقة صنعنا. يقول: "ليس لدينا خمسة دائمًا ، ومن المثير للدهشة أن يكون لدينا المزيد". في الواقع ، يُعتقد أن ما يصل إلى واحد من كل 500 طفل يولد بأصابع زائدة في أيديهم أو أقدامهم. وبينما لا يمكن لنموذج العلم الفرنسي تفسير ذلك ، فإن أنماط تورينج يمكنها ذلك.

حسب التعريف ، فإن أنظمة تورينج ذاتية التنظيم ، وتخلق أنماطًا متسقة بخصائص محددة اعتمادًا على المعلمات. في حالة النمط المخطط ، هذا يعني أن نفس الإعداد سيخلق دائمًا خطوطًا بنفس المسافة (أو الطول الموجي ، كما يسميه علماء الرياضيات) بينهما. إذا قمت بتعطيل النمط ، على سبيل المثال عن طريق إزالة جزء ، فسيحاول النظام ملء البتات المفقودة بطريقة مميزة للغاية. وعلى الرغم من أن أنظمة Turing جيدة في إنشاء أنماط متكررة ذات طول موجي ثابت ، مثل الأصابع ذات الحجم العادي ، إلا أنها أقل جودة في حساب العدد الذي صنعته ، ومن هنا جاءت الأرقام الإضافية.

الأهم من ذلك ، يمكن لنظام تورينج معين أن يصنع الشيء نفسه مرارًا وتكرارًا. لكن انظر عن كثب إلى الجسم ، وهناك العديد من الأمثلة على تكرار الهياكل. في كثير من الحيوانات ، بما في ذلك أنفسنا ، تكون أصابع اليدين والقدمين متشابهة إلى حد ما. ولكن وفقًا لنموذج العلم ، يجب أن تكون الهياكل التي تم إنشاؤها استجابة لمستويات مختلفة من المورفوجين مختلفة. كيف نفسر حقيقة أنه يمكن "قراءة" نفس الشيء من مستوى مورفوجين أعلى وأدنى؟

يؤكد شارب أن مفهوم "خارطة الطريق" الجزيئية الأساسية لا يصمد. "لا أعتقد أنه من المبالغة القول أنه لفترة طويلة اعتقد الكثير من مجتمع علم الأحياء التطوري أن لديك هذه البحار من التدرجات التي تغسل عضوًا كاملاً. ولأنهم يسيرون في اتجاهات مختلفة ، فلكل جزء من العضو إحداثيات مختلفة ".

في عام 2012 - الذكرى المئوية لميلاد تورينج وبعد 60 عامًا على ورقته "التشكل الكيميائي" - أظهر شارب أن هذه الفكرة (على الأقل في الطرف) كانت خاطئة.

تم إثبات الدليل بدقة في ورقة كتبها شارب وماريا روس في جامعة كانتابريا بإسبانيا ، ونُشرت في علم. استخدم روس تقنيات الهندسة الوراثية لإزالة أعضاء عائلة معينة من الجينات من الفئران بشكل منهجي. كانت أهدافهم هي جينات Hox ، التي تلعب دورًا أساسيًا في تنظيم خطة الجسم للجنين النامي ، بما في ذلك نمذجة أقدام الفئران وأيدي بشرية.

قد يكون للتخلص من أي من هذه الهيئات التنظيمية الحاسمة بعض التأثيرات الرئيسية إلى حد ما ، لكن ما رآه الباحثون كان أمرًا غريبًا بشكل إيجابي. عندما قاموا بضرب المزيد والمزيد من 39 جينًا من Hox وجدت في الفئران ، كان لدى الحيوانات الناتجة المزيد والمزيد من الأصابع على أقدامها ، مما أدى إلى فقدان ما يصل إلى 15 في الحيوانات معظم الجينات.

الأهم من ذلك ، أنه مع قطع المزيد من جينات Hox وظهور المزيد من الأصابع ، أصبحت التباعد بينها أصغر. لذا فإن زيادة عدد الأصابع لم يكن بسبب وجود أقدام أكبر ، ولكن بسبب وجود خطوط أصغر وأصغر في نفس المساحة - وهي السمة المميزة لنظام تورينج ، والتي لم يتم ملاحظتها من قبل في أطراف الفأر. عندما سحقت شارب الأرقام ، يمكن أن تفسر معادلات تورينج الأصابع الإضافية التي كانت روس وفريقها يراها.

هذا أمر رائع بالنسبة للأصابع شبه المتطابقة في فأر ، كما أقول ، لكنه لا يفسر سبب اختلاف أرقام الفرخ الثلاثة. خربشات حادة على قطعة من الورق ، ورسم مخطط Venn لدائرتين متداخلتين رديئتين. واحد يسمى "PI" للمعلومات الموضعية على غرار Wolpert ، والآخر "SO" للأنظمة ذاتية التنظيم مثل أنماط تورينج. يقول وهو ينقر عليهم بقلمه ، "الإجابة ليست أن تورينج على حق وأن وولبرت كان مخطئًا ، ولكن هناك مزيجًا في العمل".

اعترف وولبرت نفسه ، إلى حد ما ، أن نظام تورينج يمكن أن يكون قادرًا على نمذجة الأصابع. لكنها لا تستطيع ، بحكم التعريف ، نقل الاختلافات بينهما. يجب أن تعمل تدرجات مورفوجين فوق هذا النمط المعمول به لإعطاء الأرقام خصائصها الفردية ، من الإبهام إلى الخنصر ، والجمع بين فكرة معلومات الموقع الخاصة بـ Wolpert مع فكرة Turing ذاتية التنظيم.

يتم الآن ملاحظة أمثلة أخرى من الحياة الواقعية لأنظمة تورينج التي تراكمت بهدوء على مدى العقدين الماضيين. وصفت ورقة بحثية صدرت عام 1990 من ثلاثة كيميائيين فرنسيين أول دليل تجريبي لا لبس فيه على بنية تورينج: لقد لاحظوا مجموعة من البقع المنتظمة تظهر في شريط من الهلام حيث يحدث تفاعل مولّد اللون - وهي العلامة الدالة على النظام. في العمل.

أثناء دراسة سمكة ملائكية المياه العذبة البحرية المخططة بأناقة ، لاحظ الباحث الياباني Shigeru Kondo أنه بدلاً من أن تكبر خطوطها مع تقدم الأسماك في العمر (كما يحدث في الثدييات مثل الحمير الوحشية) ، فقد احتفظوا بنفس التباعد ولكن زاد عددهم ، متفرعين لملء الفراغ المتاح. كشفت نماذج الكمبيوتر أن نموذج تورينج يمكن أن يكون التفسير الوحيد. واصل كوندو توضيح أن الخطوط الممتدة على طول سمكة الزرد يمكن تفسيرها أيضًا من خلال رياضيات تورينج ، في هذه الحالة بفضل نوعين مختلفين من الخلايا يتفاعلان مع بعضهما البعض ، بدلاً من جزيئين.

اتضح أن المعاطف المزخرفة للقطط ، من الفهود والنمور إلى التبول المنزلي ، هي نتيجة لآليات تورينج التي تعمل على ملء القماش البيولوجي الفارغ للجلد. يعود الفضل أيضًا في توزيع بصيلات الشعر على رؤوسنا والريش على الطيور إلى التنظيم الذاتي من نوع تورينج.

يركز باحثون آخرون على كيفية تفسير رياضيات تورينج للطريقة التي تنقسم بها الأنابيب داخل صدر الجنين النامي مرارًا وتكرارًا لتكوين رئتين متفرعتين حساستين. حتى مجموعة الأسنان المنتظمة في فكينا ربما تكون قد وصلت إلى هناك من خلال نمط تورينج-إيسك.

في هذه الأثناء في لندن ، وجد جيريمي غرين أيضًا أن الضفادع الموجودة على سقف فمك - النتوءات المتكررة فوق أسنانك الأمامية التي تحترق بسهولة إذا تناولت شريحة بيتزا شديدة السخونة - تدين بوجودها إلى نمط تورينج.

بالإضافة إلى جلود الأسماك والريش والفراء والأسنان والرجعي والعظام في أيدينا ، يعتقد جيمس شارب أن هناك الكثير من أجزاء الجسم الأخرى التي يمكن إنشاؤها من خلال أنماط تورينج ذاتية التنظيم ، مع وضع المعلومات الموضعية في الأعلى. كبداية ، في حين أن أرقامنا عبارة عن خطوط واضحة ، يمكن النظر إلى عظام الرسغ المتجمعة على أنها بقع. يمكن إجراء هذه بسهولة مع بعض التعديلات على معلمات معادلة تورينج.

لدى شارب بعض الأفكار الأكثر إثارة للجدل حول المكان الذي قد تعمل فيه الآلية - ربما تشكيل مجموعة منتظمة من الأضلاع والفقرات التي تعمل على عمودنا الفقري. حتى أنه يشك في أن الخطوط الشهيرة في أجنة ذبابة الفاكهة لها علاقة بنمط تورينج أكثر مما توقعه بقية مجتمع علم الأحياء التطوري.

نظرًا لأنه يعمل في مبنى مكسو بقضبان خشبية أفقية ، سألته عما إذا كان قد بدأ في رؤية أنماط تورينج في كل مكان ينظر إليه. يضحك قائلاً: "لقد مررت بتلك المرحلة". "خلال الذكرى المئوية ، كانت تورينج حقًا في كل مكان. الاحتمال المثير بالنسبة لي هو أننا قد أسأنا فهم مجموعة كبيرة من الأنظمة ومدى سهولة خداع أنفسنا - والمجتمع بأسره - في ابتكار قصص Just So Stories تبدو مناسبة لهم وسعادتهم ".

يوافق ستيوارت نيومان على أن نظريته عام 1979 عادت الآن خارج الظل. "عندما تبدأ في التجاذب في خيط واحد ، ستنهار الكثير من الأشياء إذا كنت تعمل على شيء ما. إنهم لا يريدون التحدث عن ذلك ، ليس لأنه خطأ - من السهل رفض شيء خاطئ - ولكن ربما لأنه صحيح. وأعتقد أن هذا ما حدث فيما بعد ".

© التمهيد الوظيفي

ببطء ولكن بثبات ، يعمل الباحثون على تجميع دور أنظمة تورينج في تكوين الهياكل البيولوجية. ولكن حتى وقت قريب ، كان لا يزال هناك شيء واحد مطلوب لإثبات وجود نمط تورينج يعمل في الطرف: هويات المكونين اللذين يقودانه.

تم حل هذا اللغز الآن من قبل جيمس شارب وفريقه في ورقة نشرت في أغسطس 2014 ، مرة أخرى في المجلة علم. خمس سنوات في التصنيع ، وهي تجمع بين عمل الأجنة الدقيق مع الطحن القوي للأرقام.

توصل شارب إلى أن المكونات اللازمة لتغذية نمط تورينج في الطرف يجب أن تُظهر نمطًا مخططًا يعكس الأصابع النامية المبكرة جدًا - إما يتم تشغيلها في أصابع المستقبل وإيقافها في الخلايا المقدر لها أن تصبح فجوات ، أو العكس.

للعثور عليها ، جمعت طالبة الدراسات العليا جيلينا راسبوبوفيتش خلايا من برعم أطراف فأر نامٍ ، حيث لا يمكن رؤية سوى تلميح بسيط من النشاط الجيني الذي يؤدي إلى تكوين الأرقام. بعد فصل نوعي الخلايا ، والكثير من التحليل الجزيئي المضني ، ظهر بعض المشتبه بهم الجزيئي المثير للاهتمام. باستخدام النمذجة الحاسوبية ، كان Sharpe قادرًا على تلخيص المظهر التدريجي للأرقام بالضبط الذي يعكس ما رأوه في أقدام الفأر الفعلية ، بناءً على أنماط نشاط هذه المكونات.

من المثير للاهتمام ، على عكس النظام الأنيق المكون من جزأين الذي استند إليه تورينج ، أن شارب يعتقد أن ثلاثة جزيئات مختلفة تعمل معًا في الطرف لصنع الأصابع. الأول هو Sox9 ، وهو بروتين يخبر الخلايا بأن "تصنع العظام هنا" في الأصابع النامية. الآخرون عبارة عن إشارات مرسلة من نظامين بيولوجيين للمراسلة: أحدهما يُسمى BMP (بروتين مُشكل العظام) ، والذي يقوم بتشغيل Sox9 في الأصابع ، وجزيء رسول آخر يُعرف باسم WNT (يُنطق "وينت") ، والذي يعمل على إيقاف تشغيله في الفجوات بين الأصابع.

على الرغم من أن أنظمة Turing الكلاسيكية تستدعي مكونين فقط - المنشط والمثبط - فإن هذا الموقف أكثر تعقيدًا بعض الشيء. يوضح شارب: "لا يبدو أنه يتلخص حرفيًا في شيئين فقط". "الشبكات البيولوجية الحقيقية معقدة ، وفي حالتنا قمنا بتلخيصها في مسارين للإشارة بدلاً من جزيئين محددين."

جاء التأكيد الإضافي عندما ذهبوا في الاتجاه الآخر - من النموذج إلى الجنين. قام لوتشيانو ماركون من طلاب شارب بتعديل البرنامج لمعرفة ما سيحدث للأنماط إذا تم رفض كل مسار إشارة. في المحاكاة ، أدى تقليل إشارات BMP إلى إنشاء مخلب بواسطة الكمبيوتر بدون أصابع. على العكس من ذلك ، فإن رفض WNT توقع أن يكون طرفًا مكونًا بالكامل من أصابع مدمجة معًا.

عند اختبارها في الحياة الواقعية ، باستخدام كتل صغيرة من أنسجة برعم الأطراف المأخوذة من أجنة الفئران المبكرة ونمت في أطباق بتري ، تحققت هذه التوقعات. أنتج علاج الثقافات بالأدوية التي تثبط كل مسار بالضبط ما توقعه البرنامج - لا أصابع ، أو كل الأصابع. تتنبأ محاكاة بديلة مع كلتا الإشارتين مرفوضتين في نفس الوقت بإصبعين أو ثلاثة أصابع بدلاً من خمسة أرقام مرتبة. مرة أخرى ، أدى استخدام كلا العقارين في وقت واحد على براعم أطراف فأر حقيقية إلى إنشاء نفس النمط تمامًا. إن القدرة على الانتقال من النموذج إلى الجنين والعودة مرة أخرى - إجراء تنبؤات قابلة للاختبار تؤكدها التجارب - هي دليل أساسي على أن الأشياء تعمل بالطريقة التي يفكر بها شارب.

وإذا تم قبول النظرية أخيرًا ، واكتشفنا كيف وأين تُستخدم أنظمة تورينج لإنشاء هياكل في الطبيعة ، فماذا يمكننا أن نفعل بهذه المعرفة؟ كثير جدا ، وفقا لجيريمي جرين.

يقول: "يمكنك العيش بدون رجعي ، لكن الأشياء مثل صمامات قلبك أو حنكك بالكامل ، هي مهمة حقًا". سيحتاج الأطباء التجديديون الذين يعملون على أي تقنية للخلايا الجذعية أو العلاج بالخلايا في المستقبل إلى فهم كيفية صنعها. كان بحث عامل النمو في الثمانينيات هو حجر الأساس لعلاجات الخلايا الجذعية التي بدأت في الخوض في التجارب السريرية الآن ، لكنها ألهمت عالم الطب التجديدي بأسره. هذا هو نوع الجدول الزمني الذي نتحدث عنه ".

في مستشفى جاي يرى عن قرب ما يحدث عندما تنحرف عملية التطوير. يتخصص قسمه في العيوب الخلقية التي تصيب الوجه والجمجمة ، ويعتقد جرين أن فهم الصواميل والمسامير الجزيئية الأساسية هو المفتاح لإصلاحها. "ما نقوم به الآن هو نظري للغاية ، ويمكننا أن نتخيل كيف سيكون مفيدًا ، ولكن في غضون 25 عامًا سيكون هذا هو نوع المعرفة التي سنحتاجها. من المحتمل أن يتم اعتبار ذلك أمرًا مفروغًا منه بحلول ذلك الوقت ، لكننا سنحتاج إلى معرفة كل أشياء تورينج هذه حتى نتمكن من بناء جسم أفضل ".

في السنوات الأخيرة من حياة آلان تورينج ، رأى حلمه الرياضي - جهاز كمبيوتر إلكتروني قابل للبرمجة - يطفو إلى الوجود من مجموعة مزاجية من الأسلاك والأنابيب. في ذلك الوقت كانت قادرة على سحق عدد قليل من الأرقام بوتيرة الحلزون. اليوم ، الهاتف الذكي في جيبك مليء بتكنولوجيا الحوسبة التي كانت ستذهله. لقد استغرق الأمر عمرًا آخر تقريبًا لجلب رؤيته البيولوجية إلى الواقع العلمي ، ولكن تبين أنه أكثر من مجرد تفسير أنيق وبعض المعادلات الفاخرة.

مع الشكر لـ Dagmar Iber لمزيد من المناقشة.

شارك هذه القصة

مراجع

بحث ألان تورينج الأصلي عام 1952 بعنوان "الأساس الكيميائي للتكوين" [PDF] ، يلخص أفكاره والمعادلات التي تدعمها.


أنماط تورينج

خلال حياته القصيرة المأساوية التي بدأت قبل 100 عام ، كتب آلان تورينج ورقة واحدة فقط عن الكيمياء. تم نشره قبل عامين من وفاته المفاجئة ، ويمكن القول إنه أحد أكثر الكتب نفوذاً على الإطلاق من شخص خارجي إلى هذا المجال.

نظرًا لأنه كان في الأساس عالم رياضيات بحتًا ، فمن المدهش أن تورينج كان لديه أي شيء ليقوله عن الكيمياء على الإطلاق. لكن المرء لم يعرف أبدًا ما يمكن توقعه منه. ساد فضول تورينج بعيدًا ، وكان قادرًا على إيجاد روابط بين ما بدا أكثر المشاكل والأفكار تباينًا.

أظهر تورينج كيف يمكن للتفاعلات الكيميائية أن تخلق أنماطًا. إذا قمت بخلط المكونات التي حددها ، فيمكن فصلها إلى بقع شبه مرتبة ذات تركيبة مختلفة. تبدو نظرية تورينج لتشكيل الأنماط الكيميائية ، التي تم إثباتها تجريبيًا الآن ، أفضل مرشح لشرح مجموعة متنوعة من الألغاز في التطور البيولوجي ، من التمايز التلقائي لبعض الأنسجة إلى تكوين العلامات المصطبغة وأنماط الأوراق على سيقان النبات. ومخططه النمطي العفوي وثيق الصلة بما يتجاوز الكيمياء والكيمياء الحيوية: فقد تم استدعاؤه لشرح كيفية تشكل تموجات الرمال ، وكيف يتخلص النمل من الجثث ، وكيف يبني النمل الأبيض أعشاشه ، ولماذا تتركز الجريمة في "النقاط الساخنة".

كسر التماثل

ولد آلان تورينج في لندن عام 1912 ، وهو معروف على نطاق واسع بأنشطته في مجال التشفير في بلتشلي بارك خلال الحرب العالمية الثانية ، ولا سيما لدوره في فك شفرة إنجما التي استخدمتها البحرية الألمانية. أثار هذا العمل الحساس في زمن الحرب قلق السلطات بشكل خاص عندما حوكم تورينج في عام 1952 بتهمة ممارسة الجنس المثلي ، والتي كانت لا تزال جريمة في ذلك الوقت. كان الخوف هو أنه سيكون عرضة للابتزاز ، وأمر بإجراء دورة من العلاج الهرموني "التصحيحي". على الرغم من أنه يقال إن تورينج تحمل هذه الجملة القاسية بصلابة مسلية ، يبدو أن العار والآثار الجسدية دفعته إلى الانتحار في عام 1954 عن طريق قضم تفاحة مليئة بالسيانيد - على الرغم من وجود بعض الأدلة على أن قد يكون الموت عرضيًا.

تم دمج براعة تورينج الرياضية مع إبداع العقل الذي جعله رائدًا في مجال الذكاء الاصطناعي ونظرية الحساب. لقد كان سؤالًا رياضيًا في الأساس هو الذي دفع تورينج إلى التفكير في الأنماط الكيميائية. وتساءل كيف يمكن أن تتطور كرة من خلايا متطابقة في المراحل المبكرة من نمو الجنين إلى كائن حي بسمات مختلفة ، بحيث تصبح بعض الخلايا أطرافًا وبعض العيون وما إلى ذلك. يُطلق على مظهر مخطط جسم الكائن الحي اسم التشكل ، ويبدو أنه مثال على كسر التناظر التلقائي: من التماثل إلى التمايز.

اقترح تورينج أن يصبح الجنين منقوشًا في مناطق ذات مصائر تشريحية مختلفة بواسطة مواد كيميائية تسمى مورفوجينات (حرفياً "مُشكِّلات الشكل") ، والتي تنتشر عبر الخلايا والأنسجة. لقد كان غامضًا عن عمد بشأن ماهية المورفوجينات - يمكن أن تكون هرمونات ، ربما ، أو جينات ، كانت طبيعتها الكيميائية لا تزال غير مفهومة في تلك المرحلة. النقطة الأساسية هي أنها تنتشر وتتفاعل مع بعضها البعض: مخططه هو ما يُعرف الآن بنظام التفاعل والانتشار. أظهر تورينج كيف ، في ظل ظروف نظرية معينة ، يمكن أن تؤدي المورفوجينات المتفاعلة إلى ظهور أنماط مرقطة مكونة من نقاط ذات تركيبة كيميائية مختلفة.

لقد أدرك أن مخططه له تداعيات واسعة على علم الأحياء. قد يفسر ، على سبيل المثال ، علامات الحيوانات وترتيب الأوراق والزهور في النباتات ، والتي تسمى انجذاب النبات. ومع ذلك ، يتضح الآن أن هذه الآلية ليست ضرورية لكسر تناظر البويضة المخصبة. بدلاً من ذلك ، يتم تعطيل التناظر منذ البداية بسبب انتشار بروتينات الأم من جانب واحد من الجنين. ومع ذلك ، كما يشير الكيميائي باتريك دي كيبر من جامعة بوردو في فرنسا ، فإن الانتصار الحقيقي لورقة تورينج كان لإظهار أنه "لا يوجد مبدأ حيوي مطلوب للتطور البيولوجي - يمكن للقوانين الفيزيائية والكيميائية العادية أن تؤدي المهمة".

باتريك دي كيبر / جاك بواسوناد / CNRS / جامعة بوردو

هل يمكن لتشكيل النمط الكيميائي لألان تورينج أن يفسر خطوط الحمار الوحشي؟

لم يكن واضحًا من المناقشة الرياضية المكثفة في ورقة تورينج ما هي المكونات الرئيسية في عمليته. أصبح ذلك واضحًا في عام 1972 عندما ابتكر عالما الأحياء التطورية هانز مينهاردت وألفريد جيرر في معهد ماكس بلانك لأبحاث الفيروسات في توبنغن بألمانيا نظرية لتشكيل الأنماط البيولوجية دون معرفة عمل تورينج. لقد أظهروا أن الأنماط الكيميائية الثابتة يمكن أن تنتج من مكونين متفاعلين - يعادلان مورفوجينات تورينج - إذا كان لهما خصائص محددة. الأول هو "المنشط" ، وهو محفز تلقائي وبالتالي يقدم ردود فعل إيجابية. الآخر هو "مثبط" ، والذي يثبط التحفيز الذاتي للمنشط. بشكل حاسم ، يجب أن يكون لديهم معدلات انتشار مختلفة ، وأن يكون المانع أسرع. في الواقع ، هذا يعني أن التضخيم الذاتي للمنشط يتم تجميعه في بقع موضعية ، بينما يمنع المثبط رقعة أخرى من هذا القبيل من النمو بالقرب منها. عندما وجه أحد محكمي ورقتهم ماينهاردت وجيرر إلى عمل تورينج ، وجدوا أن معادلاته يمكن أن تصف هذا الموقف فقط.

يقول مينهارت: "المبدأ الأساسي الذي اكتشفناه ساعد بشكل كبير في فهم ورقة تورينج". كما أنه جعل الأمر أكثر وضوحًا لفهم أنظمة الزخرفة الأكثر تعقيدًا في علم الأحياء. '' يوافق فيليب مايني ، المتخصص في تكوين الأنماط في علم الأحياء بجامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة: `` لا أعتقد أن الكثير قد حدث بين ورقة 1952 و 1972 ، عندما علق مينهاردت بالفعل في المشكلة.

كشفت حسابات الكمبيوتر لخطة المنشط والمثبط أن هناك نوعين عامين: البقع والمشارب. في كلتا الحالتين ، تحتوي جميع ميزات النمط تقريبًا على نفس الحجم والتباعد. من الناحية النظرية ، يمكن أن يكون نمط تورينج عبارة عن شبكة شبكية مرتبة تمامًا من البقع أو مجموعة من الخطوط ، ولكن في الممارسة العملية ، تقاطع العيوب العشوائية هذا الكمال ، مما ينتج عنه نمط شبه منتظم. من الواضح على الفور لماذا بدت نظرية تورينج كمرشح جيد لشرح خطوط الحمار الوحشي وبقع النمر.

مما يجعل موجات

في واحدة من تلك المصادفات التي تظهر كثيرًا في العلم ، تم اكتشاف الدليل التجريبي للنمذجة المكانية من مزيج من التفاعل الكيميائي والانتشار في نفس الوقت الذي كان تورينج يضع فيه النظرية. في الاتحاد السوفيتي خلال الخمسينيات من القرن الماضي ، عثر الكيميائي بوريس بيلوسوف بالصدفة على مزيج من الكواشف التي كانت تتأرجح ذهابًا وإيابًا بين دولتين. نظرًا لأنها انتهكت القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تم رفض نتائج بيلوسوف ، وبالكاد كان قادرًا على نشرها. ولكن في الستينيات تم استكشافها من قبل أناتولي زابوتينسكي ، طالب دراسات عليا في الكيمياء الحيوية في موسكو مهتم بالطابع الإيقاعي لعملية التمثيل الغذائي للجلوكوز. وجد تباينًا في مزيج بيلوسوف يتحول ذهابًا وإيابًا بين الأحمر والأزرق.

تنبع الأنماط في تفاعل Belousov - Zhabotinsky من نوع التفاعل - نظام الانتشار الذي اقترحه تورينج

التذبذبات هي نتيجة أخرى للتوازن الدقيق بين معدلات التفاعل والانتشار في عملية التحفيز الذاتي. ينتقل تفاعل Belousov – Zhabotinsky بين فرعين يشتملان على وسيطات تفاعل مختلفة ، يمكن لكل منهما استنفاد نفسه من خلال ردود الفعل الجامحة ، وبالتالي تهيئة الظروف للفرع الآخر لتولي المسؤولية. إذا تُركت التذبذبات لأجهزتها الخاصة ، فإن التذبذبات تتلاشى في النهاية مع استسلام الوسطاء للمنتجات النهائية - وهذا هو السبب في عدم وجود تهديد حقيقي لقوانين الديناميكا الحرارية. ولكن إذا تم إجراء التفاعل في محلول غير مخلوط ، فلن يحدث التبديل في كل مكان دفعة واحدة ولكنه ينتشر كسلسلة منتظمة من الموجات الكيميائية النبضية ، مما يؤدي إلى إنشاء أنماط مدهشة.

يوضح مينهاردت أن "الانتشار الشبيه بالموجة يمكن مقارنته بانتشار العدوى أو حرائق الغابات". من الضروري للنشاط النبضي للأمواج حقيقة أنه بمجرد مرور جبهة الموجة عبرها ، تدخل منطقة ما في فترة "مقاومة للحرارة" لا يمكنها خلالها دعم إثارة أخرى تشبه الموجة - في تشبيه حرائق الغابة ، هذا هو الوقت المستغرق لتنمو الأشجار.

تختلف هذه الموجات الكيميائية المتحركة عن أنماط تورينج الثابتة ، لكن المبادئ العامة للتفاعل والانتشار هي نفسها. ما يختلف هو المعدلات النسبية التي تنتشر بها المكونات. بدأت الروابط بين النظامين في الظهور لأول مرة في أواخر الستينيات من عمل الكيميائي الروسي المولد إيليا بريغوجين وزملاؤه في جامعة بروكسل الحرة في بلجيكا. شكلت أنماط التفاعل والانتشار ، التي أشار إليها Prigogine باسم "الهياكل المشتتة" لأنها مستدامة عن طريق تبديد الطاقة في عملية غير متوازنة ، مكونًا مركزيًا للعمل على الديناميكا الحرارية غير المتوازنة التي أكسبت Prigogine جائزة نوبل في الكيمياء في 1977.

حركة بطيئة

في أوائل السبعينيات ، بدأ De Kepper العمل على هذه الأنظمة. وجد هو وزملاؤه طريقة للحفاظ على تفاعل كيميائي متذبذب على مسافة محكومة بعيدًا عن التوازن الديناميكي الحراري ، باستخدام ما يسمى مفاعل خزان التحريك المستمر للسماح بتدفق مستمر من المتفاعلات.

يمكن إعادة إنتاج البقع "˜" من خلال عمليتي مثبط المنشط المقترنة

يوضح دي كيبر: "في السبعينيات ، كانت العديد من المجموعات التي تعمل على التفاعلات الكيميائية المتذبذبة تحلم بإنتاج أنماط تورينج". ولكن على الرغم من أن البعض ادعى النجاح في بعض الأحيان ، إلا أن الأنماط كانت دائمًا ما تكون شيئًا آخر. ومع ذلك ، فقد عثر عليها دي كيبر بالصدفة تقريبًا. كان يحقق في تفاعل متذبذب يسمى تفاعل الكلوريت - يوديد - حمض المالونيك (CIMA) ، والذي يشترك في بعض المكونات مع تفاعل Belousov-Zhabotinsky ، وفي عام 1985 بدأ هو وزملاؤه في النظر إلى الأنماط المكانية في هذا الخليط. لم يتوقعوا العثور على هياكل تورينج فعلية - ولكن في عام 1990 ، عندما رأوا مجموعة من البقع تظهر في شريط من الجل تنتشر فيه الكواشف من جوانب متقابلة ، تعرفوا عليها على حقيقتها لأن زميل دي كيبر جاك كان Boissonade قد تنبأ بالفعل بهيكل تورينج حقيقي من هذا النوع باستخدام حسابات الكمبيوتر في عام 1988. ويقول مايني إن الاكتشاف "كان مثيراً للغاية". "بحلول تلك المرحلة ، بدأ البحث حول هذا الموضوع في التلاشي ، لكن هذا أعطاها دفعة كبيرة."

تم شرح سبب ظهور هذه الأنماط في رد فعل CIMA بعد عام من قبل إيرفينغ إبشتاين وإستفان لينجيل في جامعة برانديز في والثام بالولايات المتحدة. يتم التحكم بشكل أساسي في ردود الفعل الإيجابية التحفيزية في تفاعل CIMA بواسطة أيونات اليوديد. لكن التفاعل يستخدم النشا كمؤشر لوني لليود المتكون في التفاعل ، ويمكن أن يصبح اليود مرتبطًا باليود والنشا ، مكونًا مركبًا كبيرًا ينتشر ببطء عبر الهلام. هذا التباطؤ في انتشار "المنشط" هو ما يجلب ديناميكيات التفاعل إلى النظام لتشكيل أنماط تورينج. يعترف De Kepper بسعادة أن هذا كان ضربة حظ خالص. قبل ثلاث سنوات ، وصف هو وزملاؤه جوديت هورفاث وإستفان زالاي طريقة عامة لإنشاء هياكل تورينج في أنظمة الانتشار والتفاعل التذبذب باستخدام نفس الحيلة المتمثلة في تأخير عوامل التغذية الراجعة الإيجابية عن طريق التعقيد.

في البرية

إن نمو بقع وشرائط تورينج في المختبر شيء واحد - لكن هل توجد حقًا في علم الأحياء؟ في الثمانينيات من القرن الماضي ، عمل ماينهارت وعالم الأحياء الرياضي جيمس موراي في جامعة واشنطن في سياتل بالولايات المتحدة بشكل مستقل لإظهار أن نظرية تورينج قدمت تفسيرًا معقولًا لمجموعة واسعة من أنماط الصبغ الحيواني ، من الحمر الوحشية إلى الزرافات إلى الصدف. الفكرة هي أن المورفوجينات تقوم بتشغيل أو إيقاف المسارات الجينية التي تحفز إنتاج الأصباغ - في جلود الثدييات ، صبغة الميلانين ، التي تولد ألوانًا من أسمر أسمر إلى أسود.

ليس من قبيل المصادفة أن تشبه تموجات الرمال خطوط الحمار الوحشي

في الآونة الأخيرة ، أظهر مايني وزملاؤه أن عمليتي المنشط والمثبط المقترنين يمكن أن تنتج علامات الحلقة المكسورة المميزة لنمور الجاغوار ، بينما أظهر متعاون مايني ، ساي سانغ لياو في جامعة تشونغ شينغ الوطنية في تايوان ، أن مخطط تورينج تم تنفيذه على يمكن أن تنتج أصداف الدعسوقة المنحنية أنماطًا تشبه إلى حد كبير تلك التي تظهر في الطبيعة.

إن الدليل القاطع على أن أنماط صبغ الحيوانات هي بالفعل أنماط تورينج هو تحديد المورفوجينات المعنية. على الرغم من عدم نجاح أي شخص في القيام بذلك ، إلا أن هناك أنواعًا أخرى من الأنماط البيولوجية التي يبدو أننا نقترب من العوامل الكيميائية الحيوية المحتملة الكامنة وراء العملية. في عام 2006 ، وجد توماس شليك وزملاؤه في جامعة فرايبورغ في ألمانيا دليلاً على أن بصيلات الشعر في الفئران يتم ترتيبها من خلال عملية التنشيط والتثبيط. اقترحوا أن بروتينًا يسمى Wnt هو المنشط لتكوين البصيلات ، بينما تعمل البروتينات التي تنتمي إلى فئة معروفة بشكل عام باسم Dkk كمثبطات لـ Wnt. أظهر شليك وزملاؤه أن الفئران الطافرة الجينية التي تنتج بروتينات Dkk بكميات كبيرة بشكل غير طبيعي تطور أنماطًا لحويصلات تتطابق مع تلك المتنبأ بها نظريًا من نماذج Turing-style Activator-inhibitor لانتشار وتفاعل Wnt و Dkk.

في غضون ذلك ، تعاون ماينهاردت مع عالم الطيور ريتشارد بروم في جامعة ييل ، نيو هيفن ، الولايات المتحدة ، لإظهار أنه يمكن تفسير الانتقادات اللاذعة الدورية لريش الطيور إذا كان منتج البروتين لجين يسمى Sonic hedgehog (Shh) - وهو جين نمطي شائع في العديد من الأشخاص. الأنواع - تتصرف كمنشط بينما البروتين المكون للعظم 2 هو مثبط. من خلال تفاعل هذه المكونات ، تصبح الظهارة المنتظمة لبرعم الريش النامي مقسمة إلى سلسلة من التلال الشبيهة بالشريط والتي تشكل تفككها إلى أسلات مميزة. ومؤخراً ، أظهر عالم الأحياء التطوري جيريمي جرين من كينجز كوليدج لندن بالمملكة المتحدة ومعاونوه أن الحواف المتباعدة بانتظام في لوحة الثدييات تبدو وكأنها مرتبة بواسطة آلية انتشار تفاعل من نوع تورينغ تتضمن بروتينات Shh وعامل نمو الأرومة الليفية كمثبط ومنشط على التوالي.

الرمل والمقابر والجريمة

تشبه خطوط تورينج العامة أنماط التموج في الرمال المنفوخة بالرياح. قد لا يكون هذا من قبيل الصدفة. يقترح Meinhardt أن تشكيل هذه الأنماط الرملية ، في الأصل ، يشبه نظام المنشط المثبط. تتشكل أكوام وحواف الرمال عن طريق ترسب حبيبات الرياح. مع زيادة حجم التلال ، فإنها تعزز نموها عن طريق التقاط المزيد من الرمال من الهواء. ولكن عند القيام بذلك ، فإنه يعمل بمثابة حوض يزيل الرمال من الرياح ويمنع تكون تموجات أخرى قريبة. يؤسس التوازن بين هاتين العمليتين متوسط ​​مسافة ثابتة تقريبًا بين التموجات.

"مقابر" ، مرتبة هنا حول حافة ساحة زجاجية ، تشكل نوعًا من نمط تورينج

ردود الفعل المتضمنة في التكرار والمنافسة والافتراس قد تنشئ أنماطًا من نوع تورينج في مجتمعات الحيوانات. يعتقد الفيزيائي الإسباني ريكارد سولي من جامعة بومبيو فابرا في برشلونة وزملاؤه أن هذا قد يفسر انتشار العوالق الحيوانية في البحر والعوالق النباتية التي ترعى عليها. ووجد جاي ثيراولاز من جامعة بول ساباتير في تولوز وزملاؤه أن بعض النمل المتوسطي يكدس جثث النمل الآخر في "مقابر" يمكن اعتبارها هياكل تورينج. يعتقد الباحثون الفرنسيون أن آليات مماثلة قد تكمن وراء العديد من الجوانب الأخرى لتكوين الموائل وتجميعها ، مثل بناء العش ، في الكائنات الحية الأعلى.

ربما حتى المجتمعات البشرية ، التي تنظمها ردود الفعل الاجتماعية على السلوك والحركة ، تنظم نفسها في أنماط تورينج. هذا هو المعنى الضمني لنظرية طورها عالم الرياضيات الأمريكي مارتن شورت من جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس ، وزملاؤه ، لشرح الظاهرة المثبتة جيدًا لنقاط الجريمة: المناطق التي يكون فيها معدل الجريمة مرتفعًا بشكل غير طبيعي. ينتج نموذج شورت الخاص بـ "نزع فتيل" المجرمين والضحايا المحتملين بؤرًا ساخنة بسبب المنافسة بين التنشيط المحلي (الجريمة تولد المزيد من الجرائم) والمنع طويل المدى (الشرطة).

من الصعب تخمين المكان الذي قد تظهر فيه أنماط تورينج بعد ذلك. أثبتت فكرة أنه فقس قبل 60 عامًا ، لأنها كانت حرفياً من بويضة مخصبة ، خصوبة بشكل مذهل ، حيث اتضح أنها إحدى استراتيجيات الطبيعة العالمية لتشكيل الأنماط.


المرقط والنظيف والمخطط والمتلطخ

عندما نفكر في الحيوانات المرقطة ، من المحتمل أن تكون الفهود من أول ما يتبادر إلى الذهن. هذه السمة المميزة موجودة في اسم الفهد ، ويُعتقد أنه مشتق من الكلمة الهندوسية chita التي تعني "مرقط". الفهود لديها حوالي 2000 بقعة ولكل منها نمط فريد يمكن استخدامه في إدارة الحياة البرية لتحديد الأفراد. في جميع أنحاء المملكة الحيوانية ، توفر الطبيعة مجموعة من الإطلالات المميزة ، من البقع إلى الخطوط إلى البقع والبقع ، التي استحوذت على فضول العديد من العلماء. لقد وجدوا أن أنماط التصبغ المختلفة هذه تنشأ من القواعد البيولوجية والرياضية المشتركة.

التعلم من استثناءات الطبيعة
الفهد الملك النادر لديه نمط معطف مختلف لدرجة أنه كان يعتقد أنه نوع مختلف من الفهد. بشكل عام هو أغمق ، مع وجود بقع سوداء كبيرة وخطوط على ظهره. كان صندوق حفظ الفهد جزءًا من فريق بحث اكتشف أن نمط معطف الفهد الملك يرجع إلى طفرة في الجين المسمى Taqprep.

تم اكتشاف الطفرات في جين Taqprep لأول مرة لتؤثر على لون معطف القطط المنزلية. القطط العتابي مع Taqprep العادي لها نمط من الخطوط العمودية الضيقة على خلفية فاتحة تُعرف بنمط الماكريل لأنها تشبه عظام الأسماك. تتسبب الطفرات في جين Taqprep في قطط العنب في نمط معطف يسمى blotched ، والذي لاحظ العلماء أنه مشابه للمناطق المظلمة الموسعة لفهد الملك. Taqprep له دور في إنشاء مناطق داكنة وفاتحة على الجلد أثناء التطور. الأنماط الموجودة على الجلد تتوافق مع الأنماط الموجودة على الفراء.

أكثر ندرة من رؤية ملك الفهد هو اكتشاف فهد نظيف. شوهد فهد بدون بقع في محمية Athi Kapiti في Kenyain 2012 ، بعد ما يقرب من قرن من تسجيل آخر مشاهدة. بدلاً من البقع التقليدية ، كان لدى هذا الفهد عن قرب مئات النمش الصغيرة على ظهره ولكن من بعيد بدا أسمرًا. اقترح بعض الخبراء أن هذا الفهد الناصع يمكن أن يخطئ في اعتباره أسدًا ، مما قد يكون ميزة. بقدر ما تذهب القطط المنقوشة ، فإن الفهود استثناء لأن موطنها يختلف عن معظم القطط المنقوشة الأخرى مثل النمور والفهود الذين يعيشون في غابة مظلمة حيث توفر أنماطهم التمويه. يبدو أن بقع الفهد تساعد في إخفائها في العشب الطويل.

تشكيل الأنماط في الحيوانات
يخبرنا علم الأحياء أنه أثناء التطور ، يتم تشغيل الجينات في أوقات محددة وفي مواقع محددة ، وهي عملية تشكل العديد من الأنماط من شكل الجسم إلى تصبغ الجلد. تشير النماذج الرياضية إلى أن أنماط الصباغ على جلد جميع الحيوانات يمكن أن تنشأ من آلية أساسية مشتركة. يظهر نوع من النماذج يسمى نشر التفاعل أنه من الممكن الوصول إلى العديد من الأنماط المخططة أو المرقطة أو الوسيطة التي نراها في الحيوانات عن طريق تغيير الطرق التي ينتشر بها جزيئين عبر الجلد النامي.

تخيل أنه أثناء نمو الجلد ، يؤدي الجزيء أ إلى إنتاج الصباغ وأيضًا تشغيل إنتاج الجزيء ب الذي يثبط الصباغ. إذا انتشر جزيء المانع B بشكل أسرع من الجزيء A ، فإنه يشكل حاجزًا من عدم وجود صبغة تحيط ببقع أو شريط مصطبغ. تتضمن هذه النماذج موجات من الجزيئات المنتشرة وتظهر أنه سيتم إجراء تعديلات صغيرة على المعلمات يمكننا الوصول إلى أنواع أنماط معينة مثل نمط الفهد مقابل نمط الفهد ، ولكن مع وجود اختلافات فردية بين الأفراد تشبه إلى حد كبير كيف تكون بصمات الأصابع البشرية فريدة من نوعها.

هل لاحظت أن الفهود لها خطوط على ذيولها؟ تتنبأ نماذج انتشار التفاعل بأن نمط البقعة على ذيل الفهد يجب أن يتغير إلى خطوط بسبب العرض الضيق وأن ذيل النمر الأوسع يجب أن يحتوي على نقاط تقريبًا إلى الحافة ، وهو ما يحدث. لم يتم حل لغز التصبغ ولا شك في أن الطبيعة ستستمر في تقديم أدلة للعلماء الفضوليين لمتابعتها.

اكتشف المزيد حول نشر ردود الفعل في فيديو MinuteEarth هذا: "هل يمكن للرياضيات أن تشرح كيف تحصل الحيوانات على أنماطها?”

كايلين ، سي.ب . . مينوتي ريمون ، م. (2012 ، 21 سبتمبر). تحديد أنماط التصبغ والحفاظ عليها في القطط المنزلية والبرية


حواشي

1 تم نشره ، جنبًا إلى جنب مع كتابه "الخطوط العريضة لتطوير ديزي" ، في Morphogenesis: الأعمال المجمعة لـ A. M. Turing، المجلد. 3 (محرر P. T. Saunders). إلسفير شمال هولندا ، 1992.

ملف تعريف المؤلف

فيليب بول كاتب مستقل. عمل كمحرر في طبيعة سجية لسنوات عديدة ، وتكتب الآن في جميع مجالات العلوم ، ولا سيما عن التفاعلات بين العلم والفن والثقافة. تشمل كتبه نسيج عصامي (مطبعة جامعة أكسفورد ، 1998) ، مسح شامل لتشكيل الأنماط الطبيعية ، والذي أعيد إصداره في عام 2009 كثلاثية تسمى أنماط الطبيعة، تضم الأشكال, تدفق و الفروع (مطبعة جامعة أكسفورد). أحدث كتاب له هو غير مرئي: الجاذبية الخطيرة للغيب (2014).

© 2015 المؤلفون. تم النشر بواسطة الجمعية الملكية بموجب شروط رخصة المشاع الإبداعي http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ ، والتي تسمح بالاستخدام غير المقيد ، بشرط ذكر المؤلف والمصدر الأصليين.

مراجع

. 1952 الأساس الكيميائي للتكوين. فيل. عبر. R. Soc. لوند. ب 237، 37-72. (دوى: 10.1098 / rstb.1952.0012). الرابط ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 1983 آلان تورينج: اللغز . نيويورك ، نيويورك: سايمون وأمبير شوستر. منحة جوجل

. 1979 في الآلات التي تفكر ، ص. 53. نيويورك: W.H. رجل حر . منحة جوجل

(محرر). 2004 في تورنج الأساسي ، ص. 509. أكسفورد ، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة أكسفورد. منحة جوجل

. 2009 الأشكال . أكسفورد ، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة أكسفورد. منحة جوجل

. 1910 المساهمة في نظرية التفاعل الدوري. J. فيز. تشيم. 14، 271-274. (دوى: 10.1021 / j150111a004). كروسريف ، الباحث العلمي من Google

. 1920 ملاحظة تحليلية عن علاقات إيقاعية معينة في النظم العضوية. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 6، 410-415. (دوى: 10.1073 / pnas.6.7.410). كروسريف ، PubMed ، الباحث العلمي من Google

. 1937: موجة تقدم الجينات المفيدة. آن. علم تحسين النسل 7، 355 - 369. (دوى: 10.1111 / j.1469-1809.1937.tb02153.x). كروسريف ، الباحث العلمي من Google

كولموغوروف أ ، بتروفسكي الأول وأمبير بيسكونوف إن

. 1937 Étude de l’équation de la diffusion avec croissance de la quantité de matière et son application in un problème biologique. جامعة موسكو. ثور. رياضيات. 1، 1-25. منحة جوجل

. 1987 عندما ينهار الوقت . برينستون ، نيوجيرسي: مطبعة جامعة برينستون. منحة جوجل

(محرران). 1995 الموجات والأنماط الكيميائية . دوردريخت ، هولندا: Kluwer Academic. كروسريف ، الباحث العلمي من Google

. 1972 نظرية تكوين الأنماط البيولوجية. Kybernetik 12، 30 - 39. (دوى: 10.1007 / BF00289234). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 2012 نظرية تورنج للتشكل لعام 1952 والاكتشاف اللاحق للدور الحاسم للتعزيز الذاتي المحلي والتثبيط بعيد المدى. J.R Soc. واجهه المستخدم 6، 407-416. (دوى: 10.1098 / rsfs.2011.0097). منحة جوجل

. 1972 البنية الانشقاقية: شرح ومثال بيئي. J. Theor. بيول. 37، 545-549. (دوى: 10.1016 / 0022-5193 (72) 90090-2). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 1988 كيف يحصل النمر على مواقعه. علوم. أكون. 258، 80-87. (دوى: 10.1038 / Scientificamerican0388-80). كروسريف ، آي إس آي ، الباحث العلمي من جوجل

. 1990 علم الأحياء الرياضي . برلين ، ألمانيا: سبرينغر. منحة جوجل

. 1982 نماذج تشكيل النمط البيولوجي . لندن ، المملكة المتحدة: مطبعة أكاديمية. منحة جوجل

. 2006 نموذج تورينج ثنائي المرحلة لتوليد أنماط صبغية على النمر والجاكوار. فيز. القس إي 74، 011914. (دوى: 10.1103 / PhysRevE.74.011914). كروسريف ، آي إس آي ، الباحث العلمي من جوجل

لياو إس إس ، يانغ سي سي ، ليو آر تي وأمبير هونغ جي تي

. 2001 نموذج تورينج لأنماط خنافس السيدة. فيز. القس إي 64، 041909. (دوى: 10.1103 / PhysRevE.64.041909). كروسريف ، آي إس آي ، الباحث العلمي من جوجل

. 1995 موجة رد فعل وانتشار على جلد سمكة ملائكية البحر بوماكانثوس . طبيعة سجية 376، 765-768. (دوى: 10.1038 / 376765a0). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

ناكاماسو أ ، تاكاهاشي جي ، كانبي إيه وأمبير كوندو إس

. 2009 التفاعلات بين خلايا صبغة الزرد المسؤولة عن توليد أنماط تورينج. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 106، 8429-8434. (دوى: 10.1073 / pnas.0808622106). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 2009 الجمال الحسابي لقذائف البحر ، الطبعة الرابعة. هايدلبرغ ، ألمانيا: سبرينغر. كروسريف ، الباحث العلمي من Google

كارو تي ، إيزو إيه ، راينر آر سي ، ووكر إتش وأمبير ستانكوفيتش تي

. 2014 وظيفة خطوط الحمار الوحشي. نات. كومون. 5، 3535. (دوى: 10.1038 / ncomms4535). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

Larison B و Harrigan RJ و Thomassen HA و Rubenstein DI و Chan-Golston AM و Li E و amp Smith TB

. 2015 كيف حصل الحمار الوحشي على خطوطه: مشكلة لها الكثير من الحلول. R. Soc. افتح Sci. 2، 140452. (دوى: 10.1098 / rsos.140452). الرابط ، ISI ، الباحث العلمي من Google

ألين WL ، Cuthill IC ، Scott-Samuel NE & amp Baddeley R

. 2011 لماذا حصل النمر على نقاطه: ربط تطور النمط بالبيئة في الجنابات. بروك. R. Soc. ب 278، ١٣٧٣-١٣٨٠. (دوى: 10.1098 / rspb.2010.1734). الرابط ، ISI ، الباحث العلمي من Google

Castets V و Dulos E و Boissonade J & amp De Kepper P.

. 1990 دليل تجريبي على نمط كيميائي ثابت غير متوازن من نوع تورينج. فيز. القس ليت. 64، 2953. (دوى: 10.1103 / PhysRevLett.64.2953). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

Boissonade J ، Dulos E & amp De Kepper P.

. 1995 أنماط تورينج: من الأسطورة إلى الواقع. الموجات والأنماط الكيميائية (محرران

). دوردريخت ، هولندا: Kluwer Academic. منحة جوجل

. 1991 الانتقال من حالة موحدة إلى أنماط تورينج سداسية ومخططة. طبيعة سجية 352، 610 - 612. (دوى: 10.1038 / 352610a0). كروسريف ، آي إس آي ، الباحث العلمي من جوجل

. 2011 مبادئ التنمية ، الطبعة الرابعة. أكسفورد ، المملكة المتحدة: مطبعة جامعة أكسفورد. منحة جوجل

. 2005 أجمل أشكال لا نهاية لها: علم إيفو ديفو الجديد . نيويورك ، نيويورك: W. W. Norton & amp Co. منحة جوجل

. 2014 النمذجة من وجهة نظر علماء الأحياء التطورية التجريبية. سيمين. تطوير الخلية. بيول. 35، 58-65. (دوى: 10.1016 / j.semcdb.2014.07.006). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 2002 البروتينات اليسرى هي مثبطات طويلة المدى للإشارات العقدية بوساطة الحول. بالعملة. بيول. 12، ٢١٢٤ - ٢١٢٨. (دوى: 10.1016 / S0960-9822 (02) 01362-3). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

عام 2006 ، يتطلب إنشاء عدم تناسق قوي بين اليسار واليمين في جنين الفأر تعزيزًا ذاتيًا ونظام تثبيط جانبي. ديف. زنزانة 11، 495-504. (دوى: 10.1016 / j.devcel.2006.08.002). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

Sick S و Reinker S و Timmer J & amp Schlake T.

. 2006 WNT و DKK يحددان تباعد بصيلات الشعر من خلال آلية التفاعل-الانتشار. علم 314، 1447-1450. (دوى: 10.1126 / العلوم .1130088). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 2012 تشكيل نمط نمذجة في هيدرا: طريق لفهم الخطوات الأساسية في التنمية. كثافة العمليات J. ديف. بيول. 56، 447-462. (دوى: 10.1387 / ijdb.113483hm). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

Harris MP و Williamson S و Fallon JF و Meinhardt H & amp Prum RO

. 2005 دليل جزيئي لآلية المنشط والمثبط في تطوير تفرع الريش الجنيني. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 102، 11734-11739. (دوى: 10.1073 / pnas.0500781102). كروسريف ، آي إس آي ، الباحث العلمي من جوجل

2012 تشكيل الشريط الدوري بواسطة آلية تورينج التي تعمل في مناطق النمو في حنك الثدييات. نات. جينيه. 44، 348–351. (دوى: 10.1038 / نغ 1090). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

Raspopovic J ، Marcon L ، Russo L & amp Sharpe J

. يتم التحكم في نقش الأرقام لعام 2014 بواسطة شبكة تورينج Bmp-Sox9-Wnt المعدلة بواسطة تدرجات مورفوجين. علم 345، 566-570. (دوى: 10.1126 / العلوم .1252960). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 2004 مشاهدة الإقحوانات وهي تنمو: Turing و Fibonacci phyllotaxis. آلان تورينج: حياة وإرث مفكر عظيم (محرر.

) ، ص. 477. برلين ، ألمانيا: سبرينغر. منحة جوجل

2003 تنظيم انجذاب النبات بواسطة النقل أوكسين القطبي. طبيعة سجية 426، 255-260. (دوى: 10.1038 / nature02081). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

. 1994 تشكيل الأنماط البيولوجية: من الآليات الأساسية إلى الهياكل المعقدة. القس وزارة الدفاع. فيز. 66، 1481. (دوى: 10.1103 / RevModPhys.66.1481). كروسريف ، آي إس آي ، الباحث العلمي من جوجل

Vilar JMG و Solé RV و amp Rubí JM

. 2003 حول أصل ترقيع العوالق. فيزيكا أ 317، ٢٣٩ - ٢٤٦. (دوى: 10.1016 / S0378-4371 (02) 01322-5). كروسريف ، آي إس آي ، الباحث العلمي من جوجل

2002 الأنماط المكانية في مستعمرات النمل. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 99، 9645-9649. (دوى: 10.1073 / pnas.152302199). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google

قصيرة MB ، Brantingham PJ ، Bertozzi AL & amp Tita GE

. 2010 تبديد وإزاحة البؤر الساخنة في ردود الفعل - نماذج الانتشار للجريمة. بروك. ناتل أكاد. علوم. الولايات المتحدة الأمريكية 107، 3961 - 3965. (دوى: 10.1073 / pnas.0910921107). كروسريف ، PubMed ، ISI ، الباحث العلمي من Google


علماء الأحياء الرئيسية في أنماط تورينج

في عام 1952 ، أدين آلان تورينج ، عالم الرياضيات البريطاني المعروف بعمله في فك الشفرات والذكاء الاصطناعي ، بالتورط في أفعال مثلية وحُكم عليه بالإخصاء الكيميائي. في خضم تلك الدراما الشخصية ، لا يزال يجد الوقت لنشر ورقة ذات رؤية ثاقبة حول رياضيات أنماط التكرار المنتظمة في الطبيعة ، والتي يمكن تطبيقها على الخطوط على النمور وأسماك الزيبرا ، والبقع على الفهود والتباعد في صفوف أسنان التمساح ، على سبيل المثال لا الحصر.

الآن ، بعد أكثر من 60 عامًا ، يكشف علماء الأحياء عن أدلة على آليات النمذجة التي اقترحها تورينج في ورقته البحثية ، مما أدى إلى تجدد الاهتمام بها ، مع إمكانية إلقاء الضوء على مثل هذه الأسئلة التنموية مثل كيفية تأثير الجينات في النهاية. قال جيريمي جرين ، عالم الأحياء التطورية في كينجز كوليدج لندن: "هذا الهيكل موجود". "نحتاج فقط إلى وضع الكيمياء في الرياضيات للحصول على علم الأحياء."

بالنسبة للعمل الذي أدى إلى ورقته البحثية عام 1952 ، أراد تورينج فهم الآلية الأساسية التي تنتج الأنماط الطبيعية. اقترح أن تتشكل الأنماط مثل البقع نتيجة للتفاعلات بين مادتين كيميائيتين تنتشران في جميع أنحاء النظام تمامًا مثل ذرات الغاز في الصندوق ، مع اختلاف واحد حاسم. بدلاً من الانتشار بالتساوي مثل الغازات ، تنتشر المواد الكيميائية ، التي أطلق عليها تورينج "المورفوجينات" ، بمعدلات مختلفة. يعمل أحدهما كمنشط للتعبير عن خاصية فريدة ، مثل شريط النمر ، والآخر يعمل كمثبط ، ويبدأ بشكل دوري لإيقاف تعبير المنشط.

لشرح فكرة تورينج ، تخيل جيمس موراي ، الأستاذ الفخري للبيولوجيا الرياضية بجامعة أكسفورد وعالم الرياضيات التطبيقي في جامعة برينستون ، حقلاً من العشب الجاف تنتشر فيه الجراد. قال موراي إنه إذا تم إشعال النار في العشب في عدة نقاط عشوائية ولم تكن هناك رطوبة لمنع النيران ، فإن الحرائق ستشتعل بالحقل بأكمله. إذا تم تنفيذ هذا السيناريو كآلية تورينج ، فإن الحرارة الناتجة عن ألسنة اللهب الزاحفة ستؤدي إلى تعرق بعض الجنادب الهاربة ، مما يؤدي إلى ترطيب العشب المحيط بهم وبالتالي خلق بقع دورية غير محترقة في الحقل المحترق.

كانت الفكرة مثيرة للفضول لكنها تخمينية. توفي تورينج بعد عامين من نشر جريدته ، التي ظلت غامضة نسبيًا لعقود. قال موراي: "لم يطبقها في الواقع على أي مشكلة بيولوجية حقيقية". "لقد كانت في الأساس نعمة لعلماء الرياضيات الذين يبحثون عن مشاكل تحليلية."

على الرغم من حدوث انفجار في العمل النظري والنمذجة الحاسوبية في السبعينيات من القرن الماضي والتي نجحت في إعادة إنتاج أنماط مثل البقع والأشرطة باستخدام آليات تورينج ، إلا أن البيولوجيا الجزيئية لم تكن قريبة من النقطة التي تمكن الباحثون من تحديد الجزيئات المحددة التي تعمل كمنشطات ومثبطات.

تشير أحدث الأبحاث إلى أن آليات من نوع تورينج قد تكون مسؤولة عن التباعد بين بصيلات الشعر في الفئران وبراعم الريش على جلد الطائر ، والحواف التي تتشكل على حنك الفأر والأصابع الموجودة على مخلب الفأر.

لا يزال بعض علماء الأحياء متشككين في أن آليات تورينج كافية لمراعاة هذه الأنماط الدورية ، لا سيما بسبب وجود نماذج أخرى قابلة للتطبيق ، بما في ذلك نموذج اقترحه لويس وولبرت ، عالم الأحياء التنموي الفخري في كلية لندن الجامعية. في نموذج وولبرت ، تفسر الخلايا موقعها في الفضاء بناءً على مقدار كل مُورِفوجين موجود ، مما ينتج عنه خطوط أو بقع أو أرقام. علاوة على ذلك ، قال وولبرت ، "لم يقم أحد بعد بتحديد الجزيئات التي تعمل من أجل آلية تورينج قيد التطوير."

كان هذا النقص في تحديد الهوية التجريبية هو أخطر حجر عثرة أمام دعاة تورينج ، لكن هذا بدأ يتغير. في العام الماضي ، حدد جرين وزملاؤه مادتين كيميائيتين تعملان كمنشط ومثبط ، مما يؤدي إلى ظهور نتوءات متباعدة بانتظام توجد في سقف الفم في أجنة الفئران. يعمل بروتين يسمى عامل نمو الخلايا الليفية (FGF) كمنشط ، ومتغير جيني يطلق عليه اسم القنفذ الصوتي (صه) يعمل كمثبط. عندما زاد الباحثون أو قللوا من نشاط تلك المواد الكيميائية ، تأثر نمط النتوءات تمامًا كما تنبأت معادلات تورينج.

علم الأحياء فوضوي ومعقد ، مع العديد من العوامل المربكة ، مما يجعل من الصعب إثبات تجريبيًا أن النمط ينتج عن آلية تورينج. لذلك قام جرين وزملاؤه بإزالة إحدى النتوءات ، وبالتالي زيادة المسافة بين النتوءات. إذا لم تكن هناك آلية تورينج ، فقد تشكلت سلسلة من التلال البديلة. بدلاً من ذلك ، رأى الباحثون نتوءات إضافية تنبثق في نمط متفرع لملء الفراغ - وهي السمة المميزة لنموذج تورينج.

تنطبق آلية تورينج على أي عدد من الأنظمة ، وهي تقريبًا عامة جدًا. حدد الباحثون ميزات تشبه تورينج في توزيع الأنواع في النظم البيئية ، مثل نموذج المفترس والفريسة ، حيث تعمل الفريسة كمنشطات ، وتسعى إلى التكاثر وزيادة أعدادها بينما تعمل الحيوانات المفترسة كمثبطات ، مما يبقي السكان في التحقق من. يمكن وصف الخلايا العصبية أيضًا رياضيًا على أنها منشطات أو مثبطات ، مما يشجع أو يثبط إطلاق الخلايا العصبية الأخرى القريبة في الدماغ.

قال جرين ، مشيرًا إلى التموجات التي تتشكل على الكثبان الرملية كمثال: "إذا كان لديك أي عمليتين تعملان (كمنشط ومثبط) ، فيمكنك دائمًا الحصول على أنماط دورية منها". "من الواضح أنه لا توجد مورفوجينات منتشرة في العمل هناك. كل ما في الأمر أن العمليات لها خاصية يمكنك تمثيلها باستخدام وظيفة الانتشار ".

اعترف تورينج بذلك في ورقته الأصلية: "سيكون هذا النموذج تبسيطًا وتمثيلًا ، وبالتالي تزويرًا" ، كتب. هذا لا يعني بالضرورة أن النموذج خاطئ ، ولكن من الصعب الانتقال من تحديد سلوك نظام يبدو أنه يتبع آلية تورينج إلى تحديد العمليات الفيزيائية المحددة التي تعمل كمنشط ومثبط. على سبيل المثال ، أظهرت التجارب على خطوط أسماك الزيبرا أنها تنشأ من آلية تورينج ، ولكن بدلاً من إفراز المواد الكيميائية التي تنتشر في جميع أنحاء النظام ، تمتلك الأسماك نوعين من الخلايا التي تخدم نفس الغرض مثل المنشطات والمثبطات. يمكن للجزيئات التي من المرجح أن تلعب دور المنشط / المثبط أن تكون مدمجة في غشاء الخلية فقط ، ولا تفرز. حتى تعمل الآلية ، يجب أن تكون الخلايا على اتصال مع بعضها البعض.

من المؤكد أن نموذج تورينج به عيوب. لا يمكن لآلية تورينج وحدها أن تفسر القياس في أنماط الطبيعة. يُعد بيض الدجاج مثالًا جيدًا على التحجيم ، حيث يمكن أن يكون كبيرًا أو صغيرًا أو أي شيء بينهما ، ولكن بغض النظر عن حجم البويضة المخصبة ، إذا فقس ، سيكون المنتج كتكوتًا كاملاً - وليس كتكوتًا مفقودًا. القطع. "السؤال الذي فشل تورينج في الإجابة عليه هو: كيف تحصل على عملية القياس هذه؟" قال جرين.

قد تكمن الإجابة في ورقة جديدة حول تكوين أصابع في أقدام أجنة الفأر. وفقًا للمؤلفة المشاركة Maria A. Ros من جامعة كانتابريا في إسبانيا ومجلس الأبحاث الإسباني ، تهدف الدراسة إلى استكشاف تعدد الأصابع - تكوين أرقام إضافية ، على سبيل المثال إصبع سادس في يد واحدة.

نقش الأرقام مشابه لنمط الخطوط. ولكن على الرغم من أن الأصابع تنفجر في نمط من الخطوط ، فإن المسافة بين أطراف الأصابع - الطول الموجي ، إذا صح التعبير - والمسافة بين المفاصل مختلفة. يتدرج النمط بشكل متناسب. إذا نشأت هذه الخطوط من آلية تورينج ، فلا بد أن شيئًا آخر يؤثر على القياس.

ترتبط العديد من الجينات بتعدد الأصابع ، وأبرزها جين يسمى Gli3 التي ينظمها صه. كانت الدراسات السابقة قد خلصت إلى أن عدم وجود كليهما Gli3 و صه في أجنة الفئران يؤدي إلى زيادة فئة الجينات المعروفة باسم هوكس الجينات الضرورية للتطور السليم لبنية الجسم ، بما في ذلك عدد أصابع اليدين والقدمين.

الفئران لديها 39 هوكس الجينات في أربع مجموعات متميزة. قرر روس اختبار الفرضية أكثر من ذلك هوكس أدت الجينات إلى المزيد من الأرقام عن طريق الضرب التدريجي هوكس المتغيرات. توقعت أن عدد الأرقام سينخفض ​​أكثر هوكس تمت إزالة الجينات. بدلا من ذلك ، حدث العكس: كلما زاد هوكس تمت إزالة الجينات ، كلما ظهر المزيد من الأرقام - ما يصل إلى 15 في حالة واحدة.

والأرقام الإضافية كانت أرق وأقرب من بعضها وانقسمت إلى نمط متفرع - وهو نفس النمط الذي لاحظه جرين في تجاربه مع النتوءات الموجودة على حنك الفأر. عندما قام جيمس شارب ، عالم بيولوجيا الأنظمة في مركز تنظيم الجينوم في برشلونة وأحد المؤلفين المشاركين لروس ، بتغذية البيانات التجريبية حول سماكة وتباعد الأرقام في نماذج الكمبيوتر الخاصة به ، كان قادرًا على إعادة إنتاج التأثير عبر Turing. آلية.

اتضح أن هناك عمليتين تعملان في نقش الأرقام: آلية Turing التي تنتج نمطًا شبيهًا بالشريط وآلية ضبط ثانية للتحكم في القياس عبر هوكس الجينات. يفضل شارب أن ينظر إليها على أنها جوانب مختلفة لنفس الآلية.

قد يكون من الأفضل اعتبار نموذج تورينج يلعب دورًا تنمويًا محددًا في سياق نظام بيولوجي أكبر ، بالتنسيق مع عوامل أخرى ، بدلاً من اعتباره آلية قائمة بذاتها. قال جرين: "إن عملية تورينج هي جزء من اللغز في فهم كيفية عمل مورفوجينات متعددة معًا".

نحن نعلم بالفعل أن الجينات تتفاعل مع الجينات الأخرى ومع عوامل بيئية لا تعد ولا تحصى للتعبير عن السمات.قال موراي: "لفهم التطور البيولوجي حقًا ، نحتاج إلى معرفة كيفية تأثير الجينات على العناصر الفيزيائية التي تولد الأنماط المرصودة ، وبالطبع ما هي العناصر البيولوجية الفعلية وكيف تتفاعل مع بعضها البعض". ثم مرة أخرى ، النمذجة النظرية لها مكانها. "إذا كان كل ما كان علينا استخدامه لفهم التطور هو علم الوراثة ، فما زلنا لا نعرف كيف نبني دجاجة."


تحديث نموذج تورينج لتشكيل الأنماط

في عام 1952 ، نشر آلان تورينج دراسة وصفت رياضيًا كيف يمكن للأنظمة المكونة من العديد من الكائنات الحية أن تشكل مصفوفات غنية ومتنوعة من الأنماط المنظمة. اقترح أن هذا "التنظيم الذاتي" ينشأ من عدم الاستقرار في الأنظمة غير النمطية ، والتي يمكن أن تتشكل عندما تتصارع الأنواع المختلفة على الفضاء والموارد. ومع ذلك ، كافح الباحثون حتى الآن لإعادة إنتاج أنماط تورينج في ظروف معملية ، مما أثار شكوكًا جدية حول قابليتها للتطبيق. في دراسة جديدة نُشرت في EPJ B ، قام باحثون بقيادة Malbor Asllani من جامعة Limerick ، ​​أيرلندا ، بإعادة النظر في نظرية Turing لإثبات كيف يمكن أن يحدث عدم الاستقرار رياضيًا من خلال ردود الفعل البسيطة ، وفي ظروف بيئية متنوعة على نطاق واسع.

يمكن أن تساعد نتائج الفريق علماء الأحياء على فهم أصول العديد من الهياكل المنظمة في الطبيعة بشكل أفضل ، من البقع والخطوط على معاطف الحيوانات ، إلى مجموعات النباتات في البيئات القاحلة. في نموذج تورينج الأصلي ، قدم نوعين كيميائيين منتشرين إلى نقاط مختلفة على حلقة مغلقة من الخلايا. نظرًا لانتشارها عبر الخلايا المجاورة ، `` تنافست '' هذه الأنواع مع بعضها البعض حيث تفاعلوا في النهاية مع التنظيم لتشكيل الأنماط. يعتمد تشكيل هذا النمط على حقيقة أن التناظر خلال هذه العملية يمكن كسره إلى درجات مختلفة ، اعتمادًا على النسبة بين سرعات الانتشار لكل نوع ، وهي آلية تسمى الآن "عدم استقرار تورينج". ومع ذلك ، فإن العيب الكبير في آلية تورينج هو أنها اعتمدت على الافتراض غير الواقعي بأن العديد من المواد الكيميائية تنتشر في خطوات مختلفة.

من خلال حساباتهم ، أظهر فريق أصلاني أنه في حلقات الخلايا الكبيرة بما فيه الكفاية ، حيث يؤدي عدم تناسق الانتشار إلى انتقال كلا النوعين في نفس الاتجاه ، ستظهر دائمًا حالات عدم الاستقرار التي تولد أنماطًا مرتبة - حتى عندما تنتشر المواد الكيميائية المتنافسة بنفس المعدل. بمجرد تشكيلها ، ستبقى الأنماط إما ثابتة ، أو تنتشر بثبات حول الحلقة كموجات. تعالج نتيجة الفريق أحد اهتمامات تورينج الرئيسية حول نظريته ، وهي خطوة مهمة إلى الأمام في فهمنا للدافع الفطري للأنظمة الحية لتنظيم نفسها.


تحديث نموذج تورينج لتشكيل الأنماط

الائتمان: CC0 المجال العام

في عام 1952 ، نشر آلان تورينج دراسة وصفت رياضيًا كيف يمكن للأنظمة المكونة من العديد من الكائنات الحية أن تشكل مصفوفات غنية ومتنوعة من الأنماط المنظمة. اقترح أن هذا "التنظيم الذاتي" ينشأ من عدم الاستقرار في الأنظمة غير النمطية ، والتي يمكن أن تتشكل عندما تتصارع الأنواع المختلفة على الفضاء والموارد. ومع ذلك ، كافح الباحثون حتى الآن لإعادة إنتاج أنماط تورينج في ظروف معملية ، مما أثار شكوكًا جدية حول قابليتها للتطبيق. في دراسة جديدة نشرت في EPJ بقام باحثون بقيادة Malbor Asllani في جامعة Limerick ، ​​أيرلندا ، بإعادة النظر في نظرية Turing لإثبات كيف يمكن أن يحدث عدم الاستقرار رياضيًا من خلال التفاعلات البسيطة ، وفي ظروف بيئية متنوعة على نطاق واسع.

يمكن أن تساعد نتائج الفريق علماء الأحياء على فهم أصول العديد من الهياكل المنظمة في الطبيعة بشكل أفضل ، من البقع والخطوط على معاطف الحيوانات ، إلى مجموعات النباتات في البيئات القاحلة. في نموذج تورينج الأصلي ، قدم نوعين كيميائيين منتشرين إلى نقاط مختلفة على حلقة مغلقة من الخلايا. نظرًا لانتشارها عبر الخلايا المجاورة ، `` تنافست '' هذه الأنواع مع بعضها البعض حيث تفاعلوا في النهاية مع التنظيم لتشكيل الأنماط. يعتمد تشكيل هذا النمط على حقيقة أن التناظر خلال هذه العملية يمكن كسره إلى درجات مختلفة ، اعتمادًا على النسبة بين سرعات الانتشار لكل نوع ، وهي آلية تسمى الآن "عدم استقرار تورينج". ومع ذلك ، فإن العيب الكبير في آلية تورينج هو أنها اعتمدت على الافتراض غير الواقعي بأن العديد من المواد الكيميائية تنتشر في خطوات مختلفة.

من خلال حساباتهم ، أظهر فريق أصلاني أنه في حلقات الخلايا الكبيرة بما فيه الكفاية ، حيث يتسبب عدم تناسق الانتشار في تحرك كلا النوعين في نفس الاتجاه ، ستظهر دائمًا حالات عدم الاستقرار التي تولد أنماطًا مرتبة - حتى عندما تنتشر المواد الكيميائية المتنافسة بنفس المعدل. بمجرد تشكيلها ، ستبقى الأنماط إما ثابتة ، أو تنتشر بثبات حول الحلقة كموجات. تعالج نتيجة الفريق أحد اهتمامات تورينج الرئيسية حول نظريته ، وهي خطوة مهمة إلى الأمام في فهمنا للدافع الفطري للأنظمة الحية لتنظيم نفسها.


كيف حصلت الحيوانات على البقع والمشارب؟ الرياضيات لها إجابة

كان علماء الرياضيات يلعبون مع معادلات تشكيل الأنماط منذ أن نشر آلان تورينج ورقته البحثية الأساسية في عام 1952.

الصحراء الحية: ضبع مخطط. الائتمان: Flickr، CC BY-NC-ND

الصحراء الحية: ضبع مخطط. الائتمان: Flickr، CC BY-NC-ND

يقدم العالم الطبيعي لوحة من التعقيد الجميل. من ذيل الطاووس وبقع عين الفراشة ، إلى التمويه المتطور للحرباء ، تحب الطبيعة الأنماط.

قد يتمكن علماء الأحياء من إخبارك عن سبب وجود نمط معين للحيوان. على سبيل المثال ، ربما يكون قد طور نمط جلده لأغراض التزاوج أو كعلامة تحذير أو لأغراض الدفاع. ومع ذلك ، ما زلنا في الظلام عندما يتعلق الأمر بكيفية إنتاج الأنماط.

على الرغم من أننا نفتقر حاليًا إلى البصيرة التجريبية ، إلا أن علماء الرياضيات كانوا يتلاعبون بمعادلات تشكيل الأنماط منذ عام 1952 ، عندما نشر آلان تورينج العظيم الورقة البحثية الأساسية ، الأساس الكيميائي للتكوين. في هذه الورقة ، قدم نظرية مفادها أن الأنماط المذكورة يمكن أن تظهر تلقائيًا باستخدام لا شيء أكثر من الميل الطبيعي للبروتين للتحرك بشكل عشوائي عبر الأنسجة والتفاعل مع الخلايا والبروتينات الأخرى.

النظرية غير بديهية بشكل لا يصدق ، ولا يسعنا إلا أن نتساءل كيف اكتشفها تورينج. الأنماط ، كما رآها تورينج ، تعتمد على مكونين: العوامل المتفاعلة وانتشار العامل. كل مكون بمفرده لا يقوم بإنشاء نمط. في الواقع ، يُعد الانتشار أحد العوامل المدمرة المعروفة للنمط: إذا وضعت الحليب في الماء (دون تحريكه) ، سينتشر الحليب - أو ينتشر - عبر الكوب. لا ينتهي بك الأمر ببقع أو خطوط من الحليب. لديك فقط كوب ماء حليبي موحد.

لقد أدركت عبقرية تورينج ذلك وأظهر أنه إذا قمت بدمج هذين المكونين بالطريقة الصحيحة تمامًا ، فإن الانتشار يمكن أن يدفع النظام في الواقع لتشكيل بقع وأشرطة. كانت هذه الفكرة سابقة لعصرها بكثير لدرجة أننا ما زلنا نعمل على حل تعقيدها بعد 65 عامًا.

النور والظلام

لسوء الحظ ، علم الأحياء يرفض أن يكون بهذه البساطة. يفترض الانتشار أن العوامل التي تخلق نمطًا - على سبيل المثال ، المواد الكيميائية أو البروتينات أو الخلايا - غبية ، من حيث أنها تتحرك في جميع أنحاء الفضاء بشكل عشوائي. ومع ذلك ، في عام 2014 ، أظهر مختبر Shigeru Kondo التجريبي أن الخلايا على وجه الخصوص أكثر دهاء مما كنا نظن.

يعمل مختبر كوندو على فهم الخطوط السوداء والبيضاء المعروضة على الزرد ، وهي سمكة استوائية تعيش في المياه العذبة ، موطنها الأصلي منطقة الهيمالايا. اكتشفوا أن أنماط جلد الزرد تتكون من نوع خفيف من الخلايا (زانثوفور) ونوع غامق من الخلايا (ميلانوفور) تتفاعل مع بعضها البعض. على وجه التحديد ، تنشر الخلايا الضوئية المحلاق لاستكشاف بيئتها.

بشكل غير متوقع ، وجد فريق كوندو أنه عندما تلمس الخلية الضوئية خلية مظلمة ، يتم تحريض آلية مطاردة. تتحرك الخلية الضوئية ببطء نحو الخلية المظلمة بينما الخلية المظلمة "تهرب" بسرعة. ومما يزيد الأمور تعقيدًا حقيقة أن المطاردة لا تحدث على طول خط مستقيم. تتحرك الخلايا بزاوية مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى مطاردة متصاعدة.

وسع عملي نظرية تورينج لاستيعاب هذه المعرفة الجديدة عن "مطاردة" الخلايا. أولاً ، صممت النظام كمجموعة من الخلايا الفردية المنفصلة. هذا النموذج الرياضي دقيق للغاية ، ولكن يصعب التعامل معه. ثم قمت بعد ذلك بتبسيط النموذج بافتراض وجود عدد كبير من الخلايا.

قد يبدو أن وجود المزيد من الخلايا يعقد النظام ، ولكن عن طريق زيادة عدد الخلايا ، يمكنك التوقف عن القلق بشأن كل مكون فردي والنظر ببساطة في خصائص المجموعة بأكملها. لوضع هذا في مصطلحات العالم الحقيقي ، فهذا يعني أنه عندما تفكر في سور الصين العظيم ، لا داعي للقلق بشأن لبنة واحدة ، بل عليك رؤيتها على أنها الهيكل بأكمله.

على الرغم من أنني فقدت الدقة في مواقع الخلايا الفردية ، إلا أن التبسيط سمح لي باستخدام مجموعة أدوات كاملة من التقنيات الأخرى التي كان علماء الرياضيات يبنونها على مدار الستين عامًا الماضية. لذلك أنا قادر على تحديد الظروف التي في ظلها ستنتج التجمعات الخلوية أنماطًا وظروفًا لن تتواجد الأنماط في ظلها.

بشكل لا يصدق ، مع التعقيد الإضافي لمطاردة الخلايا ، تمكنا من توسيع كتالوج الأنماط المتاحة بشكل كبير. لم يعد يتعين على النظام أن يتطور إلى نمط ثابت من البقع أو الخطوط. يمكن أن تنتج هذه الخلايا المطاردة أنماطًا من السداسيات الدوارة ، والبقع التي تنتقل عبر بعضها البعض ، وربما الأكثر تعقيدًا على الإطلاق ، خطوط تتطور باستمرار تتأرجح ذهابًا وإيابًا.

يتم تغليف كل هذا التعقيد في وصف كيفية مطاردة الخلايا لبعضها البعض: إذا قمت بتغيير الوصف ، فإنك تغير النمط. بشكل حاسم ، هذا يؤكد إحدى الفرضيات التجريبية لكوندو ، لأنه لم يقم فقط بتجربة سمكة الزرد العادية أو البرية ، كما جربها أيضًا على الأسماك الطافرة التي قدمت خطوطًا مكسورة أو بقعًا أو لا يوجد نمط على الإطلاق.

على وجه التحديد ، اكتشف أن الأسماك الطافرة التي قدمت أنماطًا مختلفة قدمت أيضًا استراتيجية مطاردة مختلفة بين الخلايا المظلمة والخلايا الفاتحة. وخلص إلى أن نمط حجم الأنسجة للجلد ، يمكن أن يمليه نمط المقياس الدقيق للخلايا. بشكل لا يصدق ، يبدو أن الرياضيات تؤكد هذه الفكرة ، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من العمل لضمان مقارنة كاملة بين النظرية والتجربة.

ليس لدي أدنى شك في أن التفاعلات الخلوية ستظل أكثر تعقيدًا مما نعرفه حاليًا. في الواقع ، ربما مرت 65 عامًا أخرى قبل أن نتمكن من تحديد أسباب تكوين نمط الزرد. في غضون ذلك ، يمكنك التأكد من أن الرياضيات ستزود علماء الأحياء بميكروسكوب جديد لفحص المشكلات البيولوجية بما يتجاوز خبرتهم التجريبية الحالية.

توماس وولي هو محاضر في الرياضيات التطبيقية في جامعة كارديف.


النور والظلام

لسوء الحظ ، علم الأحياء يرفض أن يكون بهذه البساطة. يفترض الانتشار أن العوامل التي تخلق نمطًا و [مدش] على سبيل المثال ، مواد كيميائية أو بروتينات أو خلايا و mdashare غبية ، من حيث أنها تتحرك في جميع أنحاء الفضاء بشكل عشوائي. ومع ذلك ، في عام 2014 ، أظهر مختبر Shigeru Kondo التجريبي أن الخلايا على وجه الخصوص أكثر دهاء مما كنا نظن.

يعمل مختبر Kondo & rsquos على فهم الخطوط السوداء والبيضاء المعروضة على سمك الزرد ، وهو أحد أسماك المياه العذبة الاستوائية ، وهو موطنه الأصلي في منطقة الهيمالايا. اكتشفوا أن أنماط جلد الزرد تتكون من نوع خفيف من الخلايا (زانثوفور) ونوع غامق من الخلايا (ميلانوفور) تتفاعل مع بعضها البعض. على وجه التحديد ، تنشر الخلايا الضوئية المحلاق لاستكشاف بيئتها.

بشكل غير متوقع ، وجد فريق Kondo & rsquos أنه عندما تلمس الخلية الضوئية خلية مظلمة ، يتم تحريض آلية المطاردة. تتحرك الخلية الضوئية ببطء نحو الخلية المظلمة بينما تتجه الخلية المظلمة بسرعة & ldquoruns بعيدًا & rdquo. ومما يزيد الأمور تعقيدًا حقيقة أن المطاردة لا تحدث على طول خط مستقيم. تتحرك الخلايا بزاوية مع بعضها البعض ، مما يؤدي إلى مطاردة متصاعدة.

وسع عملي نظرية Turing & rsquos لاستيعاب هذه المعرفة الجديدة للخلايا & ldquochasing & rdquo. أولاً ، صممت النظام كمجموعة من الخلايا الفردية المنفصلة. هذا النموذج الرياضي دقيق للغاية ، ولكن يصعب التعامل معه. ثم قمت بعد ذلك بتبسيط النموذج بافتراض وجود عدد كبير من الخلايا.

قد يبدو أن وجود المزيد من الخلايا يعقد النظام ، ولكن من خلال زيادة عدد الخلايا ، يمكنك التوقف عن القلق بشأن كل مكون فردي والنظر ببساطة في خصائص المجموعة بأكملها. لوضع هذا في مصطلحات العالم الحقيقي ، فهذا يعني أنه عندما تفكر في سور الصين العظيم ، لا داعي للقلق بشأن لبنة واحدة ، بل عليك رؤيتها على أنها الهيكل بأكمله.

على الرغم من أنني فقدت الدقة في مواقع الخلايا الفردية ، إلا أن التبسيط سمح لي باستخدام مجموعة أدوات كاملة من التقنيات الأخرى التي كان علماء الرياضيات يبنونها على مدار الستين عامًا الماضية. لذلك أنا قادر على تحديد الظروف التي في ظلها ستنتج التجمعات الخلوية أنماطًا وظروفًا لن تتواجد الأنماط في ظلها.

بشكل لا يصدق ، مع التعقيد الإضافي لمطاردة الخلايا ، تمكنا من توسيع كتالوج الأنماط المتاحة بشكل كبير. لم يعد يتعين على النظام أن يتطور إلى نمط ثابت من البقع أو الخطوط. يمكن أن تنتج هذه الخلايا المطاردة أنماطًا من السداسيات الدوارة ، والبقع التي تنتقل عبر بعضها البعض ، وربما الأكثر تعقيدًا على الإطلاق ، خطوط تتطور باستمرار تتأرجح ذهابًا وإيابًا.

يتم تغليف كل هذا التعقيد في وصف كيفية مطاردة الخلايا لبعضها البعض: إذا قمت بتغيير الوصف ، فإنك تغير النمط. بشكل حاسم ، يؤكد هذا إحدى الفرضيات التجريبية لـ Kondo & rsquos ، حيث لم يقم فقط بتجربة سمكة الزرد العادية أو البرية ، بل جرب أيضًا على الأسماك الطافرة التي قدمت خطوطًا مكسورة أو بقعًا أو لا يوجد نمط على الإطلاق.

على وجه التحديد ، اكتشف أن الأسماك الطافرة التي قدمت أنماطًا مختلفة قدمت أيضًا استراتيجية مطاردة مختلفة بين الخلايا المظلمة والخلايا الفاتحة. وخلص إلى أن نمط حجم الأنسجة للجلد ، يمكن أن يمليه نمط المقياس الدقيق للخلايا. بشكل لا يصدق ، يبدو أن الرياضيات تؤكد هذه الفكرة ، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من العمل لضمان مقارنة كاملة بين النظرية والتجربة.

ليس لدي أدنى شك في أن التفاعلات الخلوية ستظل أكثر تعقيدًا مما نعرفه حاليًا. في الواقع ، ربما مرت 65 عامًا أخرى قبل أن نتمكن من تحديد أسباب تكوين نمط الزرد. في غضون ذلك ، يمكنك التأكد من أن الرياضيات ستوفر لعلماء الأحياء مجهرًا جديدًا لفحص المشكلات البيولوجية بما يتجاوز خبرتهم التجريبية الحالية.

تم نشر هذه المقالة في الأصل المحادثة. اقرأ المقال الأصلي.


شاهد الفيديو: علم الاحياء الجزيئي المحاضرة الاولىIntroduction to molecular biology الجزء1 (أغسطس 2022).