يقترب علماء الأحياء من نمط تورينغ المتدهور

في عام 1952 ، أدين آلان تورينج ، عالم الرياضيات البريطاني المعروف بعمله على رموز فك التشفير والذكاء الاصطناعي ، بالمثلية الجنسية وحكم عليه بالإخصاء الكيميائي. ولكن في سياق هذه الدراما الشخصية ، لا يزال يجد الوقت لنشر عمل بصري حول رياضيات أنماط التكرار المنتظمة في الطبيعة ، والتي يمكن تطبيقها على أنماط النمور وأسماك الزرد ، وبقع النمر والمسافات بين أسنان التمساح.

الآن ، بعد 60 عامًا ، يكتشف علماء الأحياء دليلاً على الوجود الحقيقي لآليات التشكلاقترحه تورينج في هذا العمل. يقول جيريمي جرين ، عالم الأحياء التنموي بكلية كينجز كوليدج في لندن: "نحن جميعًا نعرف الهياكل". "نحن بحاجة فقط إلى عبور الكيمياء مع الرياضيات لفهم علم الأحياء."



ظهر العمل العلمي لعام 1952 بسبب حقيقة أن تورينج أراد فهم الآليات المؤدية إلى ظهور الأنماط الطبيعية. واقترح أن يتم تشكيل أنماط مثل البقع نتيجة لتفاعل مركبين كيميائيين ينتشران عبر النظام تقريبًا مثل ذرات الغاز في صندوق ، ولكن مع اختلاف واحد. لا تنتشر المركبات التي يطلق عليها تورينج اسم "مورفوجينات" بالتساوي مثل الغاز ، ولكن بسرعات مختلفة. يعمل أحدهم كمنشط لظهور خاصية فريدة ، مثل شريط النمر ، والآخر كمثبط ، يلتصق بشكل دوري ويمنع إطلاق المنشط.

قدم جيمس موراي ، أستاذ فخري في علم الأحياء الرياضي من جامعة أكسفورد وعالم الرياضيات التطبيقي في برينستون ، مجالًا من العشب المجفف لشرح أفكار تورينج.التي تفرق فيها الجنادب. إذا تم إشعال العشب في عدة أماكن عشوائية ، ولا توجد رطوبة لإطفاء الحريق ، فإن النار ستحرق الحقل بأكمله. إذا تم تطوير هذا السيناريو وفقًا لمخطط تورينج ، فإن الحرارة من اللهب ستتسبب في تعرق بعض الجنادب ، وترطيب العشب من حولهم ، وبالتالي إنشاء بقع دورية غير محترقة في الحقل المحروق.



كان الافتراض مثيرًا للاهتمام ، ولكنه مضارب. توفي تورينج بعد عامين من الإفراج عن العمل الذي لم يلاحظه أحد منذ عقود. يقول موراي: "لم يطبقها على أي مشكلة بيولوجية حقيقية". "لقد كانت مجرد هدية للرياضيين الذين يبحثون عن مشاكل تحليلية."

وعلى الرغم من حدوث انفجار في العمل النظري ونمذجة الكمبيوتر في السبعينيات ، حيث تم استنساخ أنماط مثل البقع والخطوط بنجاح باستخدام آليات تورينج ، إلا أن علم الأحياء الجزيئي لم يقترب من السماح للباحثين بالإشارة إلى جزيئات محددة تعمل كمنشطين و مثبطات.

وقد أشارت الدراسات الحديثة إلى أن مثل هذه الآليات قد تكون مسؤولة عن المسافات بين بصيلات الشعر في الفئران ، والريش في الطيور ، والارتفاعات في حنك الفئران والأصابع في كفوف الفئران.



يشك بعض علماء الأحياء في الاعتراف بآليات تورينج باعتبارها السبب الوحيد لظهور الأنماط الدورية ، لا سيما بسبب وجود نماذج أخرى لمظهرها ، على سبيل المثال ، النموذج الذي اقترحه لويس ولبرت ، عالم الأحياء التنموي الفخري في جامعة كلية لندن. وفقًا لنموذجه ، تحدد الخلايا موضعها في الفضاء بناءً على كمية كل من المورفوجينات ، مما يؤدي إلى ظهور خطوط أو بقع أو أصابع. علاوة على ذلك ، وفقًا لـ Wolpert ، "لم يقم أحد حتى الآن بتحديد الجزيئات التي تعمل في آليات تورينج".

كان عدم وجود نتائج تجريبية أخطر عقبة أمام مؤيدي تورينج ، لكن هذا بدأ يتغير. حدد جرين وزملاؤه مؤخرامركبان كيميائيان يتصرفان كمنشط ومثبط ، مما يؤدي إلى ظهور مخالفات دورية على حنك أجنة الفأر. بروتين " عامل نمو الخلايا الليفية " (FGF) يعمل المنشط والبديل الجيني " القنفذ، صوتي " (صه) - المانع. من خلال تقليل أو زيادة نشاط هذه المركبات ، قام العلماء بتغيير نمط المخالفات بما يتفق تمامًا مع معادلات تورينج.

علم الأحياء هو علم معقد ومعقد ، فهو يمزج العديد من العوامل ، مما يعقد العرض التجريبي للعلاقة بين الأنماط وآلية تورينج. بحثًا عن الأدلة ، أزال غرين وزملاؤه أحد التلال على الحنك ، مما زاد المسافة بين التلال. إذا لم تكن آلية تورينج موجودة ، فستكون هناك قمة أخرى. وبدلاً من ذلك ، وجد الباحثون تلالًا إضافية ناشئة عن نمط متفرع وملء الفراغ - علامة على وجود آلية.



آلية Turing قابلة للتطبيق على العديد من الأنظمة ، وهي عامة تقريبًا. وجد الباحثون خصائص مماثلة في توزيع الأنواع في النظم البيئية ، مثل نموذج المفترس والفريسة ، حيث تعمل الفريسة كمنشطات ، وتضاعف أعدادها وتزيد من أعدادها ، والمفترسات عن طريق المثبطات ، تنظم حجم السكان. يمكن أيضًا وصف الخلايا العصبية رياضيًا بأنها منشطات ومثبطات تعزز أو تمنع تنشيط الخلايا العصبية في الدماغ المجاورة.

يقول جرين ، مستشهداً بتموجات من الكثبان الرملية كمثال ، "إذا كان لديك أي عمليتين تعملان كمنشط ومثبط ، يمكنك دائمًا استخراج تسلسلات دورية منها". "هنا ، بالطبع ، لا يوجد مشتتات متناثرة. إن الأمر يتعلق فقط بأن العمليات لها خصائص يمكن وصفها بوظيفة التشتت. "

اعترف تورينج بذلك في عمله: "هذا النموذج مبسط ومثالي ، وبالتالي يشوه الواقع". هذا لا يعني أنه خطأ ، فمن الصعب جدًا التحول من تحديد سلوك النظام الذي يبدو أنه يطيع آلية تورينج إلى تحديد بعض العمليات الفيزيائية التي تعمل كمنشط ومثبط. على سبيل المثال ، أظهرت التجارب على خطوط الزرد أنها تنشأ بسبب آلية تورينج ، ولكن بدلاً من عزل المركبات الكيميائية التي تنتشر في جميع أنحاء النظام ، يحتوي السمك على نوعين من الخلايا التي تعمل كمنشط ومثبطات. يمكن أن توجد الجزيئات التي تدعي أنها منشطات ومثبطات فقط داخل غشاء الخلية ولا تفرزها الغدد. لذلك لكي تعمل الآلية ، يجب أن تكون الخلايا على اتصال ببعضها البعض.



بالطبع ، يحتوي نموذج تورينج على عيوب. هذه الآلية وحدها لا يمكن أن تكون مسؤولة عن تكبير الأنماط الطبيعية. مثال جيد على التقشير هو بيض الدجاج ، لأنه يمكن أن يكون كبيرًا وصغيرًا ومتوسطًا ، ولكن بغض النظر عن البويضة المخصبة ، تفقس دجاجة كاملة منها - دون فقدان الأجزاء الحرجة. "السؤال لا يجيب تورينج: كيف نحصل على عملية التوسع؟" - يقول الأخضر.

قد يكون الجواب في عمل جديد على تشكيل الأصابع على أقدام أجنة الفأر. وفقًا للمؤلفة المشاركة ماريا روس من جامعة كانتانابريا ومجلس الباحثين الإسبان ، فإن الدراسة تدرس تعدد الأصابع - متعدد الأصابع ، على سبيل المثال ، ظهور ستة أصابع على يد.

يشبه تسلسل الأصابع شرائط. لكن المسافة بين أطراف الأصابع هي الطول الموجي ، إن شئت ، والمسافة بين المفاصل مختلفة. يتم قياس التسلسل بشكل متناسب. إذا نشأت هذه الخطوط من آلية تورينج ، فيجب أن يؤثر شيء ما على التحجيم.

ترتبط العديد من الجينات بتعدد الأصابع ، لا سيما الجين Gli3 الذي ينظمه Shh. في دراسات سابقة ، استنتج أن غياب Gli3 و Shh في أجنة الفأر أدى إلى زيادة في فئة جينات Hox اللازمة للتطور السليم لبنية الجسم ، بما في ذلك عدد الأصابع.

تحتوي الفئران على 39 جين Hox في أربع مجموعات. قررت روس ، بإزالة متغيرات Hox تدريجياً ، لاختبار الفرضية القائلة بأن زيادة عدد جينات Hox يؤدي إلى زيادة في عدد الأصابع. اعتقدت أن عدد الأصابع سينخفض ​​مع انخفاض عدد جينات Hox. لكن العكس حدث: كلما أزيلت جينات Hox ، ظهرت أصابع أكثر - حتى 15 قطعة في حالة واحدة.

الأصابع الزائدة كانت أرق وأقرب. تم تقسيمها وفقًا لمبدأ متفرع - نفس المبدأ الذي لاحظه جرين في تجارب الدرنات على حنك الفئران. عندما قام جيمس شارب ، عالِم الأحياء في مركز التنظيم الجيني في برشلونة والمؤلف المشارك لروز ، بتغذية بيانات السُمك والتباعد بين الأصابع لنماذج الكمبيوتر الخاصة به ، كان قادرًا على إعادة إنشاء هذا التأثير من خلال آلية تورينج.



اتضح أن هناك عمليتين متورطين في تكوين الأصابع: آلية تورينج ، التي تنتج نمطًا يشبه الخطوط ، وآلية الضبط ، التي تتحكم في المقياس من خلال جينات Hox. يرى شارب أنها جوانب مختلفة لآلية واحدة.

ربما من الأفضل أن نفترض أن نموذج تورينج يلعب دورًا في التنمية ، ويعمل في سياق نظام بيولوجي أكبر ، إلى جانب عوامل أخرى ، وليس آلية منفصلة. يقول غرين: "إن عملية تورينج هي جزء من اللغز في فهم كيفية عمل المورفوجينات معًا".

نحن نعلم بالفعل أن الجينات تتفاعل مع الجينات الأخرى ومع عدد كبير من العوامل البيئية. يقول موراي: "لفهم التطور البيولوجي حقًا ، تحتاج إلى معرفة كيفية تأثير الجينات على العناصر الفيزيائية التي تتكون منها التسلسلات المرصودة ، وما هي العناصر البيولوجية المحددة ، وكيف تتفاعل مع بعضها البعض". مرة أخرى ، هناك مجال للنمذجة النظرية. "إذا كنا بحاجة فقط إلى استخدام علم الوراثة لفهم التطور ، فإننا ما زلنا لا نعرف كيفية صنع الدجاج".

Source: https://habr.com/ru/post/ar401251/