Άρθρα

Το 1952, ο Alan Turing δημοσίευσε μια μελέτη που περιγράφει μαθηματικά πώς τα συστήματα που αποτελούνται από πολλούς ζωντανούς οργανισμούς μπορούν να σχηματίσουν πλούσιες και ποικίλες συστοιχίες οργανωμένων  προτύπων. Πρότεινε ότι αυτή η «αυτο-οργάνωση» προκύπτει από αστάθειες σε συστήματα χωρίς μοτίβο, τα οποία μπορούν να διαμορφωθούν ως διαφορετικά είδη που αντιμάχονται για χώρο και πόρους. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, οι ερευνητές αγωνίζονταν να αναπαράγουν πρότυπα Turing σε εργαστηριακές συνθήκες, δημιουργώντας σοβαρές αμφιβολίες σχετικά με την εφαρμογή τους. Σε μια νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο European Physics Journal B (EPJ B), ερευνητές με επικεφαλής τον Malbor Asllani στο Πανεπιστήμιο του Limerick της Ιρλανδίας, επανεξέτασαν τη θεωρία του Turing για να αποδείξουν μαθηματικά πώς μπορούν να προκύψουν αστάθειες μέσω απλών αντιδράσεων και σε ευρέως ποικίλες περιβαλλοντικές συνθήκες.

Τα αποτελέσματα της ομάδας θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους βιολόγους να κατανοήσουν καλύτερα την προέλευση πολλών οργανωμένων δομών στη φύση, από κηλίδες και ρίγες σε τριχώματα  ζώων, έως συστάδες βλάστησης σε ξηρά περιβάλλοντα. Στο αρχικό μοντέλο του, ο Turing εισήγαγε δύο χημικά είδη διάχυσης σε διαφορετικά σημεία σε έναν κλειστό δακτύλιο κυττάρων. Καθώς διαχέονταν σε γειτονικά κύτταρα, αυτά τα είδη «ανταγωνίζονταν» μεταξύ τους καθώς αλληλεπιδρούσαν για να οργανωθούν τελικά και να σχηματίσουν μοτίβα. Αυτός ο σχηματισμός προτύπων εξαρτάται από το γεγονός ότι η συμμετρία κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας θα μπορούσε να διαχωριστεί σε διαφορετικούς βαθμούς, ανάλογα με τον λόγο μεταξύ των ταχυτήτων διάχυσης κάθε είδους,  ένας μηχανισμός που ονομάζεται τώρα «αστάθεια Turing». Ωστόσο, ένα σημαντικό μειονέκτημα του μηχανισμού Turing ήταν ότι βασίστηκε στην μη ρεαλιστική υπόθεση ότι πολλές χημικές ουσίες διαχέονται με διαφορετικούς ρυθμούς.

Μέσω των υπολογισμών τους, η ομάδα του Asllani έδειξε ότι σε αρκετά μεγάλους δακτυλίους κυττάρων, όπου η ασυμμετρία διάχυσης προκαλεί και τα δύο είδη να ταξιδεύουν προς την ίδια κατεύθυνση, οι αστάθειες που δημιουργούν διατεταγμένα μοτίβα θα εμφανίζονται πάντα - ακόμη και όταν οι ανταγωνιστικές χημικές ουσίες διαχέονται με τον ίδιο ρυθμό. Μόλις σχηματιστούν, τα μοτίβα είτε θα παραμείνουν στάσιμα, είτε θα εξαπλωθούν σταθερά γύρω από τον δακτύλιο ως κύματα. Το αποτέλεσμα αυτό της ομάδας αντιμετωπίζει έναν από τους βασικούς προβληματισμούς  του Turing για τη δική του θεωρία, και είναι ένα σημαντικό βήμα προς την κατανόησή μας για την έμφυτη παρόρμηση των έμβιων συστημάτων για αυτό-οργάνωση.

Περισσότερες Πληροφορίες: Malbor Asllani et al, A universal route to pattern formation in multicellular systems, The European Physical Journal B (2020). DOI: 10.1140/epjb/e2020-10206-3

Πληροφορίες Περιοδικού: https://www.springer.com/journal/10051/