لم تتوقف هذه الأسماك المتواضعة ذات الزعانف الشعاعية لسنوات عديدة عن إدهاش العلماء ومحبي المحيطات على حد سواء.

على الرغم من شكلها الزاوي، فهي سباحات رشيقة بشكل مثير للدهشة، مما يترك الباحثين في حيرة بشأن كيفية القيام بذلك. علاوة على ذلك، فهي جذابة للغاية: مع شفاه ممتلئة وأجساد على شكل مكعب، مطلية بأنماط مشرقة وجذابة – نقاط البولكا والخطوط وغيرها الكثير.

الباحثون من جامعة كولورادو بولدر لقد كنت مهتمًا بشكل خاص بالبقع والخطوط والأشكال السداسية الموجودة على الجسم الأسترالي المطلي أراكانا المزخرفة. واكتشفوا أن كل هذه الأنماط الموجودة على جلده يمكن وصفها وإعادة إنشائها رياضيًا باستخدام النظرية التي طورها آلان تورينج، الذي يعتبر أبو الحوسبة الحديثة، في منتصف القرن الماضي.

يتم تقديم نموذج رياضي يعيد إنتاج حتى أصغر تفاصيل أنماط الجسم المطلي بدقة، بما في ذلك الحبوب الطبيعية و”العيوب” الأخرى، في المجلة موضوع. وأوضح المهندس الكيميائي أنكور جوبتا، أحد المؤلفين، أن ذلك يجعل العلماء أقرب إلى فهم كيفية تشكل هذه الأنماط المعقدة في الطبيعة على جلد الأسماك والكائنات الحية الأخرى.

ويقول: “يساعد هذا في سد الفجوة بين النماذج الرياضية الصارمة والجمال الفوضوي النابض بالحياة للعالم الحقيقي”.

يمكن أن تساعد هذه المعرفة في إنشاء أقمشة مموهة تحاكي الألوان الطبيعية، أو تحفيز تطوير الروبوتات الناعمة التي تستخدم مواد مرنة بدلاً من الهياكل الصلبة.

تطور الأفكار منذ 70 عامًا

يطور البحث نموذجًا نظريًا نشره تورينج عام 1952. وهو يعتمد على تفاعل عمليتين: الانتشار، عندما تسعى الجسيمات لملء كل المساحة المتاحة بشكل موحد، والتفاعلات الكيميائية بينهما.

عادة، يؤدي الانتشار إلى التجانس – على سبيل المثال، إذا قمت بإسقاط الطلاء في الماء، فإنه يشكل تدريجيا حلا أحادي اللون. لكن تورينج أثبت أنه، في ظل ظروف معينة، يمكن لمزيج من الانتشار والتفاعل الكيميائي، على العكس من ذلك، أن يولد هياكل منظمة تلقائيًا: الخطوط والبقع والأنماط الأخرى. في وقت لاحق تم استدعاؤهم أنماط تورينج.

وقد ساعدت الرياضيات وراء هذه الأنماط في تفسير كيفية رسم الطبيعة لبقع النمر، والتموجات على أصداف الرخويات، والعديد من الأنماط البيولوجية الأخرى. ويصف النموذج نفسه تكوين بصمات الأصابع البشرية، ونمط تموجات الرمال في الأسفل، وتوزيع المادة في المجرات.

يمكن لبرامج الكمبيوتر التي تحاكي عمليات الانتشار والتفاعل أن تعيد إنتاج بعض الأنماط البيولوجية. ولكن وفقًا لغوبتا، غالبًا ما تبدو نتائجها عقيمة ومثالية للغاية، دون الخشونة المتأصلة في الطبيعة – مثل التشققات في الخطوط أو السماكة غير المتساوية أو التحبب. وحتى نموذجهم الخاص، الذي كان يحاكي سلوك الخلايا الصبغية على جلد الجسم، أنتج في البداية أنماطًا ضبابية وغير واضحة.

يقول جوبتا: “إن نظام الانتشار عرضة بطبيعته للضبابية”. “فكيف تخلق الطبيعة أنماطًا واضحة؟”

في عام 2023، وجد أحد طلاب جوبتا حلاً عن طريق إضافة نوع مختلف من حركة الخلايا إلى النموذج. ووفقا للباحث، يمكن للخلايا الموجودة في السائل أن تتجمع معًا وتتحرك معًا، ويحملها تدفق الجزيئات الأخرى المنتشرة. هذه العملية تسمى رحلان الانتشار، هو نفس العامل الذي يكمن وراء عمل الصابون، والذي يسحب الأوساخ من القماش أثناء الغسيل.

وبفضل هذا، أصبحت الأنماط المحاكية على جلد الجسم أكثر وضوحًا وتعبيرًا. ولإضافة العيوب الطبيعية إليها، تم تعقيد النموذج من خلال مراعاة الاصطدامات العشوائية بين الخلايا الفردية.

ومع الأنماط، ظهرت نفس “العيوب”: أصبحت الخطوط غير متساوية في السماكة، مع وجود فواصل في بعض الأماكن؛ ولم تجتمع جوانب الأشكال السداسية في أماكن معينة، وبدت ملتوية أو متكتلة؛ امتدت البقع الموجودة داخل الأشكال السداسية أو اندمجت مع بعضها البعض. والأمر الأكثر إثارة للدهشة هو أنه يمكن تعديل درجة هذه العيوب.

نسخة مبسطة من الواقع

يعترف المؤلفون بأن النموذج – نسخة مبسطة من الواقع. فهو لا يأخذ في الاعتبار التفاعلات الأكثر تعقيدًا بين الخلايا، ومثل نموذج تورينج الأصلي، لا يكشف عن الآليات البيولوجية المحددة لإنتاج الصبغة.

ومع ذلك، وضع نموذج تورينج الأساس، مما سمح للعلماء بمعالجة تكوين الأنماط لمجموعة متنوعة من الأغراض العملية. وقد استخدمه الباحثون بالفعل لإنشاء أنماط في مستعمرات الإشريكية القولونية المتنامية، وتغيير خطوط أسماك الزرد، وتطوير مرشحات أكثر كفاءة لمياه البحر، وحتى فهم أنماط المستوطنات البشرية.

يقول غوبتا: “نحن ندرس كيف تفعل الطبيعة ذلك حتى نتمكن من تكراره لاحقًا”، دون أن يخفي أننا مدفوعون في المقام الأول بالفضول العلمي البسيط. إنه حريص على فهم كيف تخلق الطبيعة “تلك الأنماط غير المنتظمة ولكن الفريدة التي فتنت علماء الأحياء لعقود من الزمن”.