Các nhà khoa học Mỹ vừa công bố một nghiên cứu ủng hộ giả thuyết của nhà toán học Turing rằng các họa tiết trên cơ thể động vật không phải ngẫu nhiên mà được tạo ra bởi một quá trình khuếch tán.
Cá hộp cảnh có hoa văn nổi bật với các đốm lục giác và “hoa văn” sọc – sắc nét đến mức các kỹ sư tại Đại học Colorado Boulder (Mỹ) phải “bối rối” không biết làm thế nào để thực hiện được. Làm thế nào họ có được diện mạo đặc biệt này?
Một con cá nóc tại Thủy cung Birch ở San Diego (Mỹ). (Nguồn: CNN/Ảnh chụp màn hình).
Hơn 70 năm trước, nhà toán học nổi tiếng Alan Turing – người phát minh ra máy tính hiện đại – đã đưa ra giả thuyết rằng động vật có được hình dạng của chúng thông qua việc sản xuất các chất hóa học khuếch tán qua mô da. , tương tự như cách chúng ta đánh kem trong cà phê.
Các hóa chất tương tác với nhau trong khi các tác nhân khác ức chế hoạt động của chúng và hình thành các mẫu. Nhưng lý thuyết của Turing không giải thích được làm thế nào những “mô hình” này được thể hiện “rõ ràng đến vậy” ở một loài như cá hộp cảnh.
Một nhóm kỹ sư tại Đại học Colorado Boulder đã khám phá cách cơ chế khuếch tán có thể tạo ra các mẫu sắc nét, trong một nghiên cứu mới được công bố hôm thứ Tư trên tạp chí Science Advances.
Khuếch tán mô tả chuyển động của các phân tử lơ lửng trong chất lỏng phản ứng với gradient nồng độ ( chênh lệch nồng độ của một chất giữa hai vùng) của một hóa chất cụ thể, gây ra các hạt nhỏ – trong trường hợp này là các tế bào sắc tố – tập trung và kết tụ lại với nhau.
Khi các nhà khoa học tính toán phương trình Turing – được sửa đổi để bao gồm quá trình này – các mô phỏng mà họ tạo ra cho thấy đường đi của các phân tử luôn tạo ra những đường viền sắc nét, không giống như những điểm mờ không có sự phân định rõ ràng mà chỉ riêng lý thuyết của Turing tạo ra.
“Điều chúng tôi thực sự tò mò là nếu nó khuếch tán thì các mẫu sẽ không sắc nét… màu sắc sẽ không giống màu anh túc. Vậy điều gì mang lại cho những mẫu này độ sắc nét vượt trội? – Đó là lúc phương pháp khuếch tán phát huy tác dụng” – Ankur Gupta, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Hóa học và Sinh học tại Đại học Colorado Boulder cho biết.
Theo thông cáo báo chí về nghiên cứu trên, phát hiện của các kỹ sư cho thấy với sự khuếch tán của các tác nhân hóa học, các tế bào sắc tố cũng bị kéo theo “quỹ đạo” của chúng trong quá trình khuếch tán. khuếch tán, tạo ra các đốm và sọc với đường viền sắc nét hơn nhiều.
Gupta cho biết ông hy vọng những phát hiện này sẽ thúc đẩy nghiên cứu sâu hơn về di truyền lan tỏa liên quan đến quá trình tạo phôi và tạo khối u, cũng như quá trình ngụy trang và sinh học ở các loài. khác.
“Ý tưởng làm sắc nét ‘các giao diện’ là một ý tưởng hay và chắc chắn quan trọng đối với chức năng sinh học” – Tiến sĩ Andrew Krause, Trợ lý Giáo sư Toán Ứng dụng tại Đại học Durham (Anh), người đã nghiên cứu lý thuyết của Turing, cho biết trong một email.
“Các ý tưởng toán học như khuếch tán thường dẫn đến các bề mặt ‘trơn tru’ hoặc liên tục, trong khi hầu hết các ranh giới trong các mô sinh học (ví dụ như ranh giới giữa các cơ quan trong cơ thể bạn) là tương đối “cứng nhắc…” Ít nhất đó là một cách khả thi để làm sắc nét các vùng biểu hiện gen. “ – Krause, người không tham gia vào nghiên cứu trên, cho biết.
Những khả năng khác để hoàn thiện lý thuyết của Turing
Giả thuyết của Turing xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1952 trong một bài báo ông viết có tựa đề “Cơ sở hóa học của sự hình thành hình thái”.
Theo lý thuyết của ông, các họa tiết trên cơ thể động vật không phải ngẫu nhiên mà là một quá trình khuếch tán hóa học tạo ra các đốm – trên báo hoặc sọc – trên hổ, một cách có hệ thống – theo Đại học Warwick.
Theo lý thuyết của Turing, các hình dạng trên cơ thể động vật không phải ngẫu nhiên mà do quá trình khuếch tán. (Nguồn: PTI).
Jeremy Green, Giáo sư Sinh học Phát triển tại King’s College London, cho biết mặc dù phương pháp khuếch tán là một sửa đổi được đề xuất để củng cố lý thuyết của Turing dựa trên nghiên cứu gần đây, nhưng cũng có thể có những giải pháp khả thi khác.
Green, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết trong một email: “Các tế bào cực kỳ dính và rất khó di chuyển bằng cách khuếch tán”.
“Các tế bào di chuyển để làm sắc nét một sườn Turing (trên thực tế là bất kỳ ranh giới nào) không phải là một ý tưởng mới và có thể xảy ra không chỉ bởi hóa hướng động (di chuyển tế bào tích cực) mà còn bởi các cơ chế khác”.
Green cho biết ông tin rằng nghiên cứu này có tiềm năng ảnh hưởng đến việc mô hình hóa và thử nghiệm trong tương lai, nhưng vẫn còn những lỗ hổng trong lý thuyết của Turing chưa được khám phá.
Green là đồng tác giả của một nghiên cứu vào tháng 2 năm 2012 đã tìm thấy bằng chứng ủng hộ lý thuyết của Turing khi nói đến những đường gờ trên vòm miệng của chuột.
Gupta cho biết trong một email: “Chúng tôi đã xem xét các khả năng khác trong bài báo của mình và thừa nhận rằng các quá trình như hóa hướng động, tức là di chuyển tế bào, đều ‘hiện diện’.
“Chúng tôi không có ý khẳng định rằng sự khuếch tán là cơ chế duy nhất, mà đúng hơn là cơ chế này ‘hiện diện’ và đã bị đánh giá thấp. Việc kết hợp phương pháp khuếch tán sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của các giả thuyết trên”.
- “Lỗ kép” trên Mặt Trăng là do tên lửa Mỹ hay Trung Quốc gây ra?
- Thực phẩm siêu chế biến có thể làm tăng nguy cơ ung thư
- “Quét” bằng vệ tinh, 100 hồn ma 3.500 năm tuổi xuất hiện giữa cánh đồng
