علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
More than meets the eye: How patterns in nature arise and inspire everything from scientific theory to biodegradable materials
(بقلم: ميكايلا ميس كيلي، جامعة أرزونا – Mikayla Mace Kelley, University Communications)
الطبيعة مليئة بالأنماط. من بينها أنماط، أو الأشكال المتكررة (والمتجاورة)(1)، التي تماثل ما نراه على أرضية الحمام المبلطة، والمميزة بمقسمات (واجهات) بينية – بين البلاطة والأخرى (مثل الترويبة في ما بين بلاط الحمام). في الطبيعة، يُعد لون شعر الزرافة مثالاً على الأنماط(1). لكن ما سبب تشكُّل هذه الأنماط الطبيعية؟
دراسة جديدة أُجريت في جامعة أريزونا استخدمت بكتيريا لفهم كيف تكونت الأنماط. النتائج التي توصلت إليها الدراسة لها آثار على فهم كيف تطورت الكائنات الحية متعددة الخلايا المعقدة على الأرض وكيف يمكن تصنيع مواد حيوية جديدة من مصادر بيولوجية.
في العديد من الأجهزة البيولوجية(2)، تعد الأنماط من الأمور المهمة وظيفيًا. على سبيل المثال، تحتوي أجنحة الذبابة على أشكال نمطية وما بينها من واجهات بينية / تقسيمات. الأوردة، التي توفر الاستقرار والثبات وتحتوي على أعصاب، تعتبر واجهات بينية تقسم الجناح إلى أشكال متكررة ومتجاورة صغيرة. وفي البشر، تحتوي شبكية العين في الجزء الخلفي من العين الداخلية على خلايا مرتبة كفسيفساء من الأشكال المتكررة والمتجاورة حتى نستطيع أن نرى الأشياء ضمن مجال رؤيتنا.
أبحاث كثيرة تناولت كيف انبثقت مثل هذه الأنماط عبر التفاعلات الكيميائية الحيوية. ولكن يمكن أيضًا أن تنبثق أنماط عبر تفاعلات ميكانيكية. هذه العملية ليست مفهومة جيدا.
زميل ما بعد الدكتوراه انغمار ريدل-كروز (Ingmar Riedel-Kruse) ، الأستاذ المشارك في مختبر ريدل-كروز، بالشراكة مع باحثين من قسم الرياضيات التطبيقية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، استخدم البكتيريا لنمذجة كيف انبثقت الأنماط عبر التفاعلات الميكانيكية.
طور الفريق العديد من الجزيئات (molecules) اللاصقة أو اللزجة التي وضعت على سطح الخلايا البكتيرية، مما يسمح لأنواع مختلفة من الخلايا بالإلتصاق معًا بشكل انتقائي. عندما وضعت هذه البكتيريا المعدلة بعد ذلك في طبق بتري، بدأت البكتيريا في النمو تجاه بعضها البعض.
كلما اجتمع نوعان مختلفان من البكتيريا، إمَّا تتشكل واجهة بينهما أو لا تتشكل، اعتمادًا على ما إذا كانت الجزيئات اللاصقة الموضوعة على السطح مكملة لبعضها أم لم تكن. الواجهات بين نوعي البكتيريا عادةً ما تكون بعرض نصف ملليمتر وطول من ثلاثة إلى 10 ملليمترات، وتحتوي على ملايين البكتيريا. أسفرت العديد من هذه الواجهات البينية بعد ذلك عن مجموعة متنوعة من الأنماط المعقدة – اعتمادًا على مواضع البكتيريا الأولية في طبق البتري.
ثم قام المؤلفون بدراسة أنواع الأنماط التي يمكن توليدها، وما إذا كان هناك منطق وراء تكونها. وجدوا أنه يكفي أن توجد فقط أربع جزيئات لاصقة مختلفة لعمل أي من الأنماط المحتملة. قد تختلف الأنماط في شكل وحجم وموضع الواجهات التي بين أجزاءها المتكررة والمتجاورة.
وقال ريدل كروز: “لقد أثبتنا ذلك رياضيًا من خلال تظرية خريطة الألوان الأربعة الشهيرة (3)، والتي تنص على أنه لا نحتاج أكثر من أربعة ألوان للتأكد من أن أي دولتين متجاورتين على خريطة سياسية ليس لهما نفس اللون”.
قام الباحثون بتوليد العديد من الأنماط المختلفة بهذه الطريقة ، بما في ذلك النمط الذي يستخدم واجهات بينية تهجيء حرفي “U of A” وهما الحرفان الأوليان من عبارة جامعة أريزونا (باللغة الانجليزية).
قد تؤدي الأفكار التي اقترحتها الورقة في النهاية إلى تطبيقات عملية.
تمكن الباحثون من انتاج مواد حيوية مزخرفة (أنماط) – مصنوعة من كائنات حية وقد تتحلل بيئيًا بشكل أسرع من تحلل المواد الاصطناعية، كالبلاستيك – تتميز بخصائص مرغوبة. على سبيل المثال، يمكن للباحثين من تصنيع مادة بزخرفة (بنمط) معينة يمكنها التحكم في مدى سهولة تدفق السائل على سطحها.
قال ريدل كروز: “بتوظيف المنطق الذي وراء هذا البحث، يمكن التحكم في شكل المادة وبنيتها ومرونتها / لدونتها، وحتى كيف تستجيب للسائل المتدفق عليها – أي هل ينفذ السائل في المادة أو تطرده / تنفر منه”. أو حين نأخذ في الاعتبار عمل مصانع حيوية ميكروبية لإنتاج أدوية ومواد كيميائية أخرى. يمكننا التحكم في أين توضع البكتيريا المختلفة بالنسبة لبعضها البعض لتنفيذ جوانب مختلفة من تفاعل معقد.
حقيقة أننا نحتاج إلى أربع جزيئات لاصقة فقط لتصنيع جميع أنواع الأنماط الممكنة تقريبًا ، كما توفر أيضًا أفكارًا جديدة بشأن كيف تطورت الكائنات الحية المعقدة متعددة الخلايا على الأرض من الكائنات الحية أحادية الخلية.
قال ريدل كروز: “اكتشاف أن أربع جزيئات لاصقة مختلفة هي كل ما يتطلبه الأمر لعمل أنماط مختلفة جدًا تفيد أنه بمجرد توفر عدد كافٍ من المكونات اللاصقة، يمكن للبيولوجيا التطورية أن تولد العديد من الأشكال الجديدة”.
مصادر من داخل وخارج النص:
1- “في الرياضيات، الفسيفساء (tessellation) أو التبليط (tiling) لمستوى هو مجموعة أشكال مستوية تملأ المستوى المعني بدون ثغرات وبدون تداخلات (بلا واجهات بينها). الفسيفساء أيضا يمكن اعتبارها أجزاء من مستوى أو سطوح أخرى. يقوم بعض الرياضيين بتعميم قضايا التبليط والفسيفساء الرياضية إلى أبعاد أعلى. قضايا التبليط كثيرًا ما تظهر في فن إيشر. لكنها تاريخيا يمكن أن تظهر في تاريخ الفنون من العمارة القديمة إلى الفنون الحديثة” ، مقتبس من نص ورد على هذا العنوان: https://www.marefa.org/فسيفساء_(رياضيات)
2- “الجهاز الحيوي، شبكة معقدة تصل العديد من الكيانات المرتبطة ببعضها حيويًا. يمتد التنظيم البيولوجي على عدة مقاييس ويتحدد ببنى مختلفة اعتمادًا على ماهية الجهاز. تشمل الأمثلة على الأجهزة الحيوية على مستوىً كلي عدد الأفراد والكائنات الحية. على مقياس الأعضاء والأنسجة في الثدييات والحيوانات الأخرى، تشمل الأمثلة الجهاز التنفسي والجهاز العصبي. على المقياس الأصغر، تشمل الأمثلة على الأجهزة الحيوية الخلايا والعضيات والمجمعات الجزيئية” ، مقتبس من نص ورد على هذا العنوان: https://ar.wikipedia.org/wiki/جهاز_حيوي
3- “مبرهنة الألوان الأربعة تنص على أنه يمكن لأي مستوى مقسّم إلى عدّة مناطق أن يلّون فقط بأربعة ألوان على أكثر تقدير، بحيث تُلون منطقتان (متجاورتان) بنفس اللون، إلا في حالة تشاركهما في نقطة واحدة” ، مقتبس من نص ورد على هذا العنوان: https://ar.wikipedia.org/wiki/مبرهنة_الألوان_الأربعة
المصدر الر ئيس:
https://news.arizona.edu/story/more-meets-eye-how-patterns-nature-arise-and-inspire-everything-scientific-theory
