जीवविज्ञानी ट्यूरिंग के अप्रचलित पैटर्न से संपर्क कर रहे हैं

1952 में, कोडिंग और आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस पर अपने काम के लिए जाने जाने वाले ब्रिटिश गणितज्ञ एलन ट्यूरिंग को समलैंगिकता का दोषी माना गया और उन्हें रासायनिक बधिया की सजा सुनाई गई। लेकिन इस व्यक्तिगत नाटक की प्रक्रिया में, उन्हें अभी भी प्रकृति में नियमित रूप से दोहराए जाने वाले पैटर्न के गणित पर एक दूरदर्शी काम प्रकाशित करने का समय मिला , जो कि बाघ और ज़ेब्राफ़िश पैटर्न, तेंदुए के धब्बे और मगरमच्छ के दांतों के बीच की दूरी पर लागू किया जा सकता है।

अब, 60 साल बाद, जीव तंत्र की वास्तविक अस्तित्व के सबूत की खोज morphogenesis केउस कार्य में ट्यूरिंग द्वारा प्रस्तावित। "हम सभी संरचनाओं को जानते हैं," किंग्स कॉलेज लंदन के विकास जीवविज्ञानी जेरेमी ग्रीन कहते हैं। "हमें केवल जीव विज्ञान को समझने के लिए गणित के साथ रसायन विज्ञान को पार करना होगा।"



1952 का वैज्ञानिक कार्य इस तथ्य के कारण दिखाई दिया कि ट्यूरिंग प्राकृतिक पैटर्न की उपस्थिति के लिए अग्रणी तंत्र को समझना चाहता था। उन्होंने सुझाव दिया कि इस तरह के धब्बे जैसे पैटर्न दो रासायनिक यौगिकों की प्रणाली के माध्यम से एक बॉक्स में गैस परमाणुओं जैसे लगभग प्रसार के परिणामस्वरूप बनते हैं, लेकिन एक अंतर के साथ। यौगिक, जिसे ट्यूरिंग "मॉर्फोजेंस" कहा जाता है, समान रूप से गैस की तरह नहीं फैलता है, लेकिन विभिन्न गति से। एक अद्वितीय विशेषता की उपस्थिति के लिए एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है, जैसे कि बाघ की पट्टी, और दूसरा एक अवरोधक के रूप में, समय-समय पर चिपके रहते हैं और उत्प्रेरक की रिहाई को रोकते हैं।

ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय से गणित जीवविज्ञान के प्रोफेसर एमेरिटस और प्रिंसटन के एप्लाइड गणितज्ञ जेम्स मुर्रे ने ट्यूरिंग के विचारों को समझाने के लिए सूखे घास का एक क्षेत्र पेश किया ।जिस पर टिड्डे बिखर गए। यदि कई यादृच्छिक स्थानों पर घास को आग लगा दी जाती है, और आग बुझाने के लिए नमी नहीं होती है, तो आग पूरे खेत को जला देगी। यदि यह परिदृश्य ट्यूरिंग योजना के अनुसार विकसित हुआ, तो लौ से गर्मी के कारण कुछ घास-फूस को पसीना आ जाएगा, उनके चारों ओर घास को गीला कर दिया जाएगा और इस प्रकार जले हुए क्षेत्र पर समय-समय पर असमय धब्बे पैदा होंगे।



अनुमान दिलचस्प था, लेकिन सट्टा। दशकों तक किसी का ध्यान न जाने के कारण कार्य की समाप्ति के दो साल बाद ट्यूरिंग की मृत्यु हो गई। "उन्होंने इसे किसी भी वास्तविक जैविक समस्या पर लागू नहीं किया," मरे कहते हैं। "यह विश्लेषणात्मक समस्याओं की तलाश में गणितज्ञों के लिए सिर्फ एक उपहार था।"

और यद्यपि 1970 के दशक में सैद्धांतिक काम और कंप्यूटर मॉडलिंग का एक विस्फोट हुआ था, जिसमें ट्यूरिंग तंत्रों का उपयोग करके धब्बे और धारियों जैसे पैटर्न को सफलतापूर्वक पुन: पेश किया गया था, आणविक जीव विज्ञान अभी भी शोधकर्ताओं को विशिष्ट अणुओं को इंगित करने की अनुमति देने के करीब नहीं आया था जो कि सक्रिय रूप में काम करते हैं और अवरोधकों।

हाल के अध्ययनों ने तर्क दिया है कि ऐसे तंत्र चूहों में बालों के रोम, पक्षियों में पंख, चूहों के तालु पर ऊंचाई और चूहों के पंजे पर उंगलियों के बीच की दूरी के लिए जिम्मेदार हो सकते हैं।



कुछ जीवविज्ञानी ट्यूरिंग तंत्रों को आवधिक पैटर्न की उपस्थिति के एकमात्र कारण के रूप में पहचानने में संदेह करते हैं, विशेष रूप से क्योंकि उनकी उपस्थिति के अन्य मॉडलों की उपस्थिति के कारण, उदाहरण के लिए, यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन में मानद विकासवादी जीवविज्ञानी लुईस वोल्पर द्वारा प्रस्तावित मॉडल। उनके मॉडल के अनुसार, कोशिकाएं मोर्फोगेंस में से प्रत्येक की मात्रा के आधार पर अंतरिक्ष में अपनी स्थिति निर्धारित करती हैं, जिससे धारियों, धब्बों या उंगलियों की उपस्थिति होती है। इसके अलावा, वोल्पर के अनुसार, "किसी ने अभी तक अणुओं की पहचान नहीं की है जो ट्यूरिंग तंत्र में काम करते हैं।"

प्रायोगिक निष्कर्षों की कमी ट्यूरिंग के समर्थकों के लिए सबसे गंभीर बाधा थी, लेकिन यह बदलना शुरू हो गया है। ग्रीन और उनके सहयोगियों ने हाल ही में पहचान कीदो रासायनिक यौगिक एक उत्प्रेरक और अवरोधक के रूप में व्यवहार करते हैं, जिससे माउस भ्रूण के तालु पर आवधिक अनियमितता की उपस्थिति होती है। प्रोटीन " fibroblast वृद्धि कारक " (FGF) उत्प्रेरक और आनुवंशिक संस्करण "संचालित Hedgehog, ध्वनि अवरोध करनेवाला -" (श्श्श)। इन यौगिकों की गतिविधि को कम करने या बढ़ाने से, वैज्ञानिकों ने ट्यूरिंग समीकरणों के अनुसार अनियमितताओं के पैटर्न को बदल दिया।

जीवविज्ञान एक जटिल और जटिल विज्ञान है, यह कई कारकों को मिलाता है, जो पैटर्न और ट्यूरिंग तंत्र के बीच संबंधों के प्रयोगात्मक प्रदर्शन को जटिल करता है। सबूतों की तलाश में, ग्रीन और सहयोगियों ने तालू पर से एक लकीर को हटा दिया, जिससे लकीरों के बीच की दूरी बढ़ गई। यदि ट्यूरिंग तंत्र नहीं होता, तो एक और शिखा वहां बन जाती। इसके बजाय, शोधकर्ताओं ने एक ब्रंचयुक्त पैटर्न से उत्पन्न होने वाली अतिरिक्त लकीरें और अंतरिक्ष को भरना - एक तंत्र की उपस्थिति का संकेत दिया।



ट्यूरिंग तंत्र कई प्रणालियों पर लागू है, और लगभग सामान्यीकृत है। शोधकर्ताओं ने पारिस्थितिक प्रणालियों में प्रजातियों के वितरण में समान गुण पाए, जैसे कि शिकारी-शिकार मॉडल, जिसमें शिकार सक्रिय रूप से काम करते हैं, आबादी की आकार को विनियमित करते हुए, अवरोधकों द्वारा अपनी संख्या को गुणा और बढ़ाते हैं। न्यूरॉन्स को गणितीय रूप से उत्प्रेरक और अवरोधक के रूप में भी वर्णित किया जा सकता है जो पड़ोसी मस्तिष्क के न्यूरॉन्स की सक्रियता को बढ़ाता या बाधित करता है।

"यदि आपके पास कोई दो प्रक्रियाएं हैं जो एक उत्प्रेरक और अवरोधक के रूप में काम करती हैं, तो आप हमेशा उनसे आवधिक अनुक्रम निकाल सकते हैं," ग्रीन कहते हैं, उदाहरण के रूप में रेत के टीलों से तरंगों का हवाला देते हुए। “यहाँ, निश्चित रूप से, वहाँ कोई बिखरने morphogens हैं। यह सिर्फ इतना है कि प्रक्रियाओं में गुण हैं जो बिखरने वाले फ़ंक्शन द्वारा वर्णित किए जा सकते हैं। "

ट्यूरिंग ने अपने काम में यह स्वीकार किया: "यह मॉडल सरल और आदर्शित है, और इसलिए वास्तविकता को विकृत कर रहा है।" इसका मतलब यह नहीं है कि यह गलत है, एक सिस्टम के व्यवहार को निर्धारित करने से स्विच करना बहुत मुश्किल है जो कि ट्यूरिंग तंत्र का पालन करने के लिए लगता है कि कुछ शारीरिक प्रक्रियाओं का निर्धारण जो एक उत्प्रेरक और अवरोधक के रूप में काम करता है। उदाहरण के लिए, ज़ेब्राफ़िश धारियों के साथ प्रयोगों से पता चला कि वे ट्यूरिंग तंत्र के कारण उत्पन्न होते हैं, लेकिन पूरे सिस्टम में फैलने वाले रासायनिक यौगिकों को अलग करने के बजाय, मछली में दो प्रकार की कोशिकाएं होती हैं जो सक्रिय और अवरोधक के रूप में काम करती हैं। सक्रिय और अवरोधक होने का दावा करने वाला अणु कोशिका झिल्ली के अंदर ही मौजूद हो सकता है और ग्रंथियों द्वारा स्रावित नहीं हो सकता है। तो तंत्र के काम करने के लिए, कोशिकाओं को एक दूसरे के संपर्क में होना चाहिए।



बेशक, ट्यूरिंग मॉडल में खामियां हैं। यह तंत्र अकेले प्राकृतिक पैटर्न में ज़ूम करने के लिए जिम्मेदार नहीं हो सकता है। स्केलिंग का एक अच्छा उदाहरण मुर्गी के अंडे हैं, क्योंकि वे बड़े, छोटे, मध्यम हो सकते हैं, लेकिन निषेचित अंडे की परवाह किए बिना, एक पूरे चिकन hatches - लापता महत्वपूर्ण भागों के बिना। "ट्यूरिंग प्रश्न का उत्तर नहीं देता है: स्केलिंग प्रक्रिया कैसे प्राप्त करें?" - ग्रीन कहते हैं।

इसका जवाब माउस भ्रूण के पंजे पर उंगलियों के निर्माण पर एक नए काम में हो सकता है। यूनिवर्सिटी ऑफ केंटनब्रिया के सह-लेखक मारिया रोस और काउंसिल ऑफ स्पैनिश रिसर्चर्स के अनुसार, अध्ययन पोलीडेक्टली - मल्टी-फिंगरप्रिंटिंग, उदाहरण के लिए, एक हाथ पर छह उंगलियों की उपस्थिति।

उंगली अनुक्रम स्ट्रिप्स जैसा दिखता है। लेकिन उंगलियों के बीच की दूरी तरंग दैर्ध्य है, यदि आप करेंगे , और पोर के बीच की दूरी अलग है। अनुक्रम आनुपातिक रूप से बढ़ाया जाता है। यदि ये धारियां ट्यूरिंग तंत्र से उत्पन्न होती हैं, तो कुछ को स्केलिंग को प्रभावित करना चाहिए।

कई जीन पॉलीडेक्टीली से जुड़े हुए हैं, विशेष रूप से शाह द्वारा विनियमित Gli3 जीन। पिछले अध्ययनों में, यह निष्कर्ष निकाला गया था कि माउस भ्रूण में Gli3 और Shh की अनुपस्थिति ने शरीर की संरचना के समुचित विकास के लिए आवश्यक होक्स जीन की कक्षा में वृद्धि की, जिसमें उंगलियों की संख्या भी शामिल थी।

चार समूहों में चूहे के 39 हॉक्स जीन हैं। रोस ने फैसला किया, धीरे-धीरे होक्स वेरिएंट को हटाकर, परिकल्पना का परीक्षण करने के लिए कि हॉक्स जीन की संख्या में वृद्धि उंगलियों की संख्या में वृद्धि की ओर ले जाती है। उसने सोचा कि होक्स जीन की संख्या में कमी के साथ उंगलियों की संख्या कम हो जाएगी। लेकिन विपरीत हुआ: अधिक होक्स जीन को हटा दिया गया, जितनी अधिक उंगलियां दिखाई दीं - एक मामले में 15 टुकड़े तक।

अतिरिक्त उंगलियां पतली और करीब थीं। वे एक शाखा सिद्धांत के अनुसार विभाजित थे - वही जो ग्रीन ने चूहों के तालु पर ट्यूबरकल के साथ प्रयोगों में देखा था। जब जेम्स शार्प, बार्सिलोना के सेंटर फॉर जेनेटिक रेगुलेशन के एक सिस्टम बायोलॉजिस्ट और रोस के सह-लेखक, ने अपने कंप्यूटर मॉडल के लिए उंगलियों के बीच की मोटाई और दूरी पर डेटा खिलाया, तो वह ट्यूरिंग तंत्र के माध्यम से इस प्रभाव को फिर से बनाने में सक्षम था।



यह पता चला है कि दो प्रक्रियाएं अंग बनाने में शामिल हैं: ट्यूरिंग तंत्र, जो एक पैटर्न जैसा दिखता है जो धारियों से बना होता है, और ट्यूनिंग तंत्र, जो होक्स जीन के माध्यम से पैमाने को नियंत्रित करता है। शार्प उन्हें एक तंत्र के विभिन्न पहलुओं के रूप में देखता है।

शायद यह मान लेना बेहतर है कि ट्यूरिंग मॉडल विकास में एक भूमिका निभाता है, और अन्य कारकों के साथ मिलकर एक बड़ी जैविक प्रणाली के संदर्भ में काम करता है, और एक अलग तंत्र नहीं है। "ट्यूरिंग प्रक्रिया यह समझने में पहेली का एक टुकड़ा है कि मॉर्फोगेंस एक साथ कैसे काम करते हैं," ग्रीन कहते हैं।

हम पहले से ही जानते हैं कि जीन अन्य जीनों और पर्यावरणीय कारकों की एक बड़ी संख्या के साथ बातचीत करते हैं। "वास्तव में जैविक विकास को समझने के लिए, आपको यह पता लगाना होगा कि जीन भौतिक तत्वों को कैसे प्रभावित करते हैं जो अवलोकन किए गए अनुक्रमों को बनाते हैं, विशिष्ट जैविक तत्व क्या हैं, और वे एक दूसरे के साथ कैसे बातचीत करते हैं," मुर्रे कहते हैं। फिर, सैद्धांतिक मॉडलिंग के लिए जगह है। "अगर हमें विकास को समझने के लिए केवल आनुवंशिकी का उपयोग करने की आवश्यकता है, तो हमें अभी भी पता नहीं होगा कि चिकन कैसे बनाया जाता है।"

Source: https://habr.com/ru/post/hi401251/