Cum Imperfecțiunile Contribuie la Formarea Modelelor Turing în Natura

Turing s-a concentrat pe chimicalele cunoscute sub numele de morfogeni în lucrarea sa seminală din 1952. El a conceput un mecanism bazat pe interacțiunea dintre un chimical activator, care exprimă o caracteristică unică (cum ar fi dunga unui tigru), și un chimical inhibitor, care intervine periodic pentru a opri exprimarea activatorului. Ambele se difuzează într-un sistem, asemenea atomilor de gaz într-o cutie închisă. Este similar cu injectarea unei picături de cerneală neagră într-un vas cu apă. În mod normal, acest lucru ar stabiliza sistemul, iar apa ar deveni treptat gri uniform. Dar, dacă inhibitorul se difuzează mai repede decât activatorul, procesul devine instabil. Acest mecanism va produce pete sau dungi.

Oamenii de știință au încercat să aplice acest concept de bază diferitelor tipuri de sisteme. De exemplu, neuronii din creier ar putea servi ca activatori și inhibitori, în funcție de faptul că amplifică sau diminuează activitatea altor neuroni din apropiere – posibil motiv pentru care vedem anumite modele când halucinăm. Există dovezi ale mecanismelor Turing în acțiune în dungile peștilor zebra, distanța dintre foliculii de păr la șoareci, mugurii de pene pe pielea păsărilor, crestele de pe palatul șoarecilor și degetele de la labele șoarecilor.

Anumite specii de furnici din Mediterana adună cadavrele furnicilor în structuri care par să arate modele Turing. Există dovezi ale modelelor Turing în mișcarea coloniilor de furnici Azteca pe plantațiile de cafea din Mexic. În 2021, o echipă de oameni de știință spanioli a reușit să modifice E. coli în laborator astfel încât coloniile să prezinte modele Turing ramificate.

În esență, este vorba despre o rupere a simetriei. Orice două procese care acționează ca activator și inhibitor vor produce modele periodice și pot fi modelate folosind funcția de difuzie a lui Turing. Provocarea constă în trecerea de la modelul simplificat al lui Turing la identificarea mecanismelor precise care servesc rolurile de activator și inhibitor.

Aceasta este deosebit de provocatoare în biologie. Conform autorilor acestui ultim studiu, abordarea clasică a unui mecanism Turing echilibrează reacția și difuzia folosind o singură scară de lungime, dar modelele biologice adesea încorporează structuri la mai multe scări, texturi granulate sau anumite imperfecțiuni inerente.

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România