تصور کنید ملخ‌ها به‌طور مساوی در یک مزرعه خشک توزیع شده‌اند. با افزایش دما، ملخ ها شروع به عرق کردن می کنند. مزرعه در چند نقطه آتش می گیرد و شروع به گسترش می کند. اما تعریق ملخ ها (به مقدار زیاد!) رشد آتش را مهار می کند. چه نوع الگوی سوختگی در مزرعه ظاهر می شود؟ اگر ملخ ها بیشتر یا کمتر عرق کنند، یا اگر آتش سریعتر یا کندتر پخش شود - چگونه این الگو را تغییر می دهد؟ این تجسم توسط جیمز دی. موری، محقق برجسته در زمینه زیست شناسی ریاضی، در مقاله ای در سال 2012 پیشنهاد شد. نکته آن این بود که به مردم حسی از الگوهای تورینگ بدهد، مفهومی که توسط ریاضیدان آلن تورینگ، در سال 1952، برای توصیف چگونگی ایجاد یک الگو از یک حالت همگن اولیه ارائه شد. الگوهای تورینگ بینشی را در مورد (از جمله موارد دیگر) الگوهایی که در حیوانات پیدا می کنیم ارائه می دهند، چه لکه های زرافه ها، نقوش نقطه و خط روی کوسه های نهنگ، یا خطوط روی ببرها. این خطوط در جایی ظاهر می شوند که سلول های ملانوسیت تولید کننده رنگدانه "روشن" می شوند، مشابه بخش های سوخته مزرعه. عواملی که این ملانوسیت ها را روشن یا خاموش می کنند، مشابه آتش و عرق هستند. برای دهه‌ها، الگوهای تورینگ یکی از معدود ابزارهایی بود که برای فکر کردن در مورد نقوش شگفت‌انگیز طبیعت در اختیار داشتیم. اما، اخیراً، به دلیل محققان در زمینه های بسیار متفاوت، این تغییر کرده است.
برای درک این کار، مفید است بدانید که تورینگ واقعاً در تلاش برای انجام چه کاری بود. او قبلاً "ماشین جهانی" را تصور کرده بود که پیش‌درآمد محاسبات مدرن بود، آزمایشی را برای تعیین اینکه آیا یک ماشین می‌تواند هوشمند تلقی شود پیشنهاد کرده بود و کد انیگما نازی‌ها را شکسته بود. اکنون او در مورد گاوهای هلشتاین فریژن فکر می کرد و در مورد اینکه چگونه یک گروه کوچک از سلول ها می توانند به نوعی "بدانند" چگونه به لکه های سیاه مشخصه گاوها - یا به الگوی متقارن پنج گانه بدن ستاره دریایی یا مارپیچ های یک مخروط کاج تبدیل شوند. تورینگ از تفکر نزدیک به عرفانی در مورد منشاء چنین طرح هایی متنفر بود. او به خدا اعتقاد نداشت و استدلال های رایج را مبنی بر اینکه تنها حضور یک دست الهی می تواند چنین زیبایی و پیچیدگی را توضیح دهد، دوست نداشت. برای مقابله با آن تفکر، او گفت که می خواهد یک "نظریه ریاضی جنین شناسی" را توسعه دهد، نظریه ای که می تواند دریابد که چگونه یک کره کوچک از سلول ها می تواند به طور گسترده و مفصل در الگوهایی که تنها یک بخش کوچک، نادان، نفهم از آن هستند، خود را جمع آوری کند. او به یک سیستم ساده با یک فعال کننده (مانند آتش موری) و یک مهار کننده (مانند عرق ملخ) فکر کرد، که در آن فعال کننده تولید مهار کننده خود را تحریک می کند. پس از کار شبانه بر روی معادلات نشان دهنده چنین سیستم هایی، تورینگ روز بعد همکاران را با پرینت ها به گوشه ای می کشاند و می پرسید، آیا اینها شبیه لکه های گاو به نظر می رسند؟ اینها چطور؟ در آگوست 1952، این تفکر در انتشار مقاله «پایه شیمیایی مورفوژنز» به اوج خود رسید، آخرین مقاله ای که تورینگ قبل از مرگ ناشی از گاز گرفتن یک سیب آغشته به سیانید منتشر کرد. تورینگ از سیانید پتاسیم در آزمایشگاه خانگی خود برای آبکاری قاشق ها با طلا استفاده می کرد، بنابراین مشخص نیست که آیا مرگ او عمدی بوده است یا خیر. تورینگ در مورد مقاله نهایی خود گفت که "هیچ فرضیه جدیدی ارائه نمی دهد. فقط نشان می دهد که قوانین فیزیکی شناخته شده کافی هستند تا بسیاری از حقایق را توضیح دهند."
بن السیو و آنکور گوپتا در مورد خطوط یا لکه ها فکر نمی کردند وقتی که کاری را شروع کردند که از آن زمان به بعد این زمینه را روشن کرده است. السیو در آزمایشگاه مهندسی شیمی و زیستی گوپتا در دانشگاه کلرادو بولدر کار می کرد. (السیو اکنون دانشجوی فارغ التحصیل در استنفورد است و در مورد چگونگی جریان یخ مطالعه می کند.) السیو به من گفت: "این کمی عقب مانده است که چگونه به این مشکل برخوردیم." "ما در حال مطالعه دیفوزیوفورز بودیم."
گوپتا این کلمه هفت هجایی را از هم جدا کرد تا قابل دسترس تر شود: "انتشار وجود دارد" - مانند کاری که جوهر در آب انجام می دهد - "و فورز وجود دارد" - که به حرکت یک ذره اشاره دارد. این کلمه با هم به "یک ذره بزرگ که توسط ذرات کوچکتر اطراف خود کشیده می شود، بنابراین حرکت ذره بزرگتر در پاسخ به انتشار ذره کوچکتر است" اشاره دارد. یک نمونه خوب از این، لباس های شسته شده صابونی است: همانطور که ذرات نسبتاً کوچک صابون از طریق آب پخش می شوند، ذرات نسبتاً بزرگ خاک را با خود می آورند. سیستم های دیفوزیوفورتیک را می توان برای تصفیه آب بدون فیلتر استفاده کرد و ممکن است در تغییر نحوه توزیع دارو در بدن مفید باشد.
السیو تمایلات ریاضی داشت، بنابراین گوپتا پیشنهاد کرد که او با Basilisk، یک برنامه نرم افزاری برای اجرای شبیه سازی های ریاضی، آشنا شود. یکی از مثال‌های موجود در آموزش Basilisk شامل الگوهای تورینگ بود. السیو گفت: "صادقانه بگویم این اولین بار بود که در مورد آنها شنیدم." "من هیچ ایده ای نداشتم که تورینگ در بیوفیزیک کار کرده باشد."
آنها یک سیستم واکنش-انتشار (مانند مثال ملخ‌های عرق‌کرده) را مدل‌سازی کردند که همچنین یک عنصر دیفوزیوفورتیک داشت. (تصور کنید مقداری دانه خوشمزه در مزرعه وجود دارد که ملخ ها برای خوردن آن پرسه می زنند و توزیع آنها را تغییر می دهند.) یک الگوی شش ضلعی پدیدار شد. این یک الگوی تورینگ کلاسیک بود - اما با یک تفاوت قابل توجه. درست همانطور که جوهر به روشی ابری پخش می شود، الگوهای تورینگ، که مبتنی بر مدل های انتشار هستند، تمایل به داشتن مرزهای محو دارند. هنگامی که السیو و گوپتا دیفوزیوفورز را به مدل های استاندارد واکنش-انتشار تورینگ اضافه کردند، الگوی حاصل تیزتر شد و هر عنصر متمایزتر شد. السیو گفت: "مثل این بود که آنها به جای قلم مو با مداد ساخته شده اند."
اما این فقط در شبیه سازی های ریاضی بود. گوپتا گفت: "ما می خواستیم یک مدل تجربی برای مقایسه با آن پیدا کنیم." این کار آسانی نبود. سپس السیو از آکواریوم Birch در سن دیگو بازدید کرد. این آکواریوم خانه پنگوئن های آبی کوچک، اژدهای دریایی علف های هرز و کوسه های پلنگی است. همچنین خانه ماهی جعبه ای زینتی استرالیایی کمیاب است که بدنش بنفش براق با خطوط نارنجی نازکی است که شش ضلعی هایی را در طرفین آن تشکیل می دهند. وقتی السیو ماهی را دید، به نظر او شبیه الگوهای تورینگ تیز شده بود که او و گوپتا در حال مطالعه بودند. السیو گفت: "این غیرقابل باور بود." او عکسی برای گوپتا فرستاد، که با گفتن اینکه مقاله بعدی خود را پیدا کرده اند، پاسخ داد. گوپتا در مورد کاری که از آن مشاهده تصادفی ماهی ناشی شد، گفت: "ما در مورد مکانیسم الگوی تورینگ بحث نمی کنیم" به عنوان راهی برای درک اینکه چگونه یک الگوی واضح مانند الگوی ماهی جعبه ای ممکن است ظاهر شود. "ما در حال اضافه کردن یک ویژگی کوچک به آن هستیم تا آن را شفاف تر کنیم." معمول نیست که سیستم های بیولوژیکی ذرات کوچکی داشته باشند که ذرات بزرگتر را با خود حمل می کنند. برای مثال، در ماهی، پروتئین های کوچک کروماتوفورها - سلول های حاوی رنگدانه - را به اطراف حرکت می دهند. کار گوپتا و السیو جزئیاتی را در مورد اینکه چگونه دیفوزیوفورز ممکن است زیربنای تشکیل چنین الگوهای طبیعی باشد، ارائه می دهد.
ریکاردو مالارینو، به عنوان یک زیست شناس تکاملی، گفت که او "همیشه مجذوب این سوال بوده است که چگونه یک سلول واحد، از طریق یک سری فرآیندهای رشدی بسیار دقیق، به یک ارگانیسم پیچیده کاملاً شکل یافته تبدیل می شود." و علاوه بر این، چگونه تغییرات در همان فرآیندهای رشدی باعث ایجاد گونه های بسیار متفاوت می شود. انسان ها، موش ها و مگس ها تقریباً ژن های یکسانی دارند که مسیر از سلول به موجود ذی شعور را تنظیم می کنند. این کنجکاوی ها بسیار با کنجکاوی های تورینگ همپوشانی دارند، بنابراین تعجب آور نیست که کار مالارینو نیز به روشن شدن اسرار الگوی حیوانی کمک کرده است. مالارینو علاقه مند به چگونگی این پدیده است، تا حدی به این دلیل که می توان آن را با قطعیت بیشتری نسبت به چرایی آن تعیین کرد.
شکل گیری الگو در ماهی و پستانداران کاملاً متفاوت است. مالارینو می خواست این موضوع را در پستانداران مطالعه کند، اما یوزپلنگ ها و گورخرها نمونه های آزمایشگاهی عالی نیستند. کارستن شرادین، همکار او که در زمینه بوم شناسی رفتاری در دانشگاه زوریخ کار می کرد، گونه ای از موش را مطالعه می کرد که استثنایی است، به این دلیل که نرها از جوان ها مراقبت می کنند. مالارینو به من گفت: "حتی در بین پستانداران، مراقبت پدری بسیار نادر است - تقریباً منحصراً در نخستی ها دیده می شود." "اگر به یک موش آزمایشگاهی نر معمولی یک توله بدهید، بلافاصله به آن حمله می کند و آن را می کشد." اما این در مورد موش راه راه آفریقایی صدق نمی کند. او گفت: "در اینها، نرها آن را به لانه برمی گردانند، آن را لیس می زنند، آن را در آغوش می گیرند، آن را گرم نگه می دارند." این به خودی خود قانع کننده بود، اما آنچه مالارینو را به آن جذب کرد، ویژگی دیگری بود: خطوط روی پشت موش. علاوه بر این، این گونه ای از موش بود که برای نسل ها در آزمایشگاه ها پرورش نیافته بود و ژنتیک آن هنوز اساساً وحشی بود.
پوست پشتی موش راه راه آفریقایی، جایی که خطوط تشکیل می شوند، دارای سلول های پیش ساز است که پتانسیل ساختن موهای روشن یا تیره را دارند. به جای توزیع ترکیبی از روشن و تیره، سلول های پیش ساز خطوطی را تشکیل می دهند. مالارینو گفت: "ما می خواستیم بدانیم که چه زمانی و چگونه سلول تصمیم می گیرد که کدام مسیر را طی کند." گروه او سلول ها را در مراحل اولیه جنین زایی، قبل از تشکیل مو، بررسی کردند و دریافتند که "مانند یک کتاب رنگ آمیزی کودکان است." به نظر می رسید دستورالعمل های مربوط به اینکه یک موی فردی چه رنگی باید باشد از قبل تعیین شده است. آزمایشگاه مالارینو برای شناسایی ژن های موجود در موش راه راه که ممکن است الگوی اولیه را شکل دهند، کار کرد.
متیو جانسون، که در آن زمان یک محقق فوق دکترا در آزمایشگاه مالارینو بود، علاقه مند به استفاده از مدل سازی ریاضی در کار موش راه راه بود. با استفاده از الگوهای تورینگ، او بررسی کرد که چگونه الگوی خطی موش راه راه می تواند در صورت وجود یک فعال کننده و یک مهار کننده توزیع فولیکول مو، و این دو یکدیگر را تنظیم می کنند - فرآیند کلاسیک تورینگ - ظاهر شود. مالارینو گفت: شما باید در مورد مدل سازی ریاضی محتاط باشید، "زیرا اگر پارامترهای کافی اضافه کنید، می توانید تقریباً هر چیزی را که می خواهید ببینید تولید کنید." اما او مدل سازی را به عنوان یک راه عالی برای تولید فرضیه های قابل آزمایش می داند. او گفت: "و ما به چیز شگفت انگیزی دست یافتیم." مجموعه ای از ژن ها وجود داشت که آنها شناسایی کرده بودند اما نقش آنها را نمی فهمیدند. آزمایش‌های بیشتر پیش‌بینی کرد که ممکن است زیربنای الگو باشند. با ویرایش ژنوم - CRISPR - آنها موش‌هایی را پرورش دادند که یکی از آن ژن‌ها را حذف کرده بودند. درست همانطور که مدل ریاضی آنها پیش بینی کرده بود، عرض خطوط تغییر کرده بود.
سپس آنها کنجکاوی خود را یک قدم جلوتر بردند. مرلین استاپس، که در آن زمان دانشجوی فارغ التحصیل در حال کار با مالارینو بود، از دارایی های موزه تاریخ طبیعی آمریکا بازدید کرد. مالارینو گفت: "او اساساً هر کشو را باز کرد تا تمام نمونه های گونه های مختلف جوندگان که دارای خطوط هستند را ببیند." هدف فهرست نویسی تنوع الگوها بود. مالارینو گفت: "اصلاح مدل ریاضی که ما استفاده می کردیم به شما این امکان را می داد که تقریباً هر الگوی خطی را در آنجا توضیح دهید." مدل واکنش-انتشار که آنها برای موش راه راه ایجاد کرده بودند می تواند الگوهای نود گونه جونده راه راه را ایجاد کند. او گفت: "این برای ما بسیار اطمینان بخش بود."
فقط یک مورد استثنا وجود داشت. مالارینو گفت: "سنجاب زمینی سیزده خطی." "این به ما گفت که مکانیسم تولید آن الگو باید اساساً متفاوت باشد." آنها از آن زمان شروع به مطالعه این گونه کرده اند. او گفت: "این فوق العاده چالش برانگیز بوده است." "این یک آشفتگی است."
«چرایی» الگوهای حیوانی همچنان یک معما باقی مانده است. مالارینو توضیح داد: "چندین داستان وجود دارد که در حال حاضر در تفکر زیست شناسان غالب هستند." استتار توضیحی است که مردم احتمالاً با آن آشناتر هستند. یکی دیگر از خطوط فکری شناخته شده انتخاب جنسی است - اینکه الگوهای خاصی به ویژه برای جفت های بالقوه جذاب هستند. مالارینو گفت: "این ممکن است برای گورخرها صادق باشد." "اما بسیاری از گونه های جوندگان بینایی ضعیفی دارند. آنها بیشتر به بویایی تکیه می کنند."
ایده دیگر تنظیم حرارت است، اگرچه یک مطالعه در سال 2018 این ایده را به چالش کشید که خطوط به گورخرها کمک می کند تا دمای خنک تری نسبت به اسب ها و گاوهای تک رنگ حفظ کنند. او گفت: "یکی دیگر از مواردی که اخیراً منتشر شده است این است که تا حدودی به جلوگیری از نیش مگس ها کمک می کند." "این یک مقاله بسیار سرگرم کننده بود." برخی از اسب ها با پارچه راه راه پوشانده شده بودند - آنها از نظر بصری به گورخر تبدیل شدند - و محققان تعداد مگس هایی که فرود می آیند را شمردند. او گفت: "مگس های بسیار کمتری روی اسب های راه راه فرود آمدند."
در مورد موش های راه راه آفریقایی مالارینو، سرنخ هایی وجود دارد که نشان می دهد چرا چنین خطوطی در این گونه تکامل یافته اند. به عنوان مثال، جوندگان راه راه تقریباً همیشه روزانه هستند و تمایل به داشتن شکارچیان هوایی دارند، در حالی که جوندگان صرفاً شبانه خطوط ندارند. مالارینو گفت: "من فکر می کنم نکته اصلی این است که فرضیه های مختلفی وجود دارد و آزمایش خوب آنها بسیار دشوار است." "و واقعاً به گونه بستگی دارد."
تلاش برای درک، با این حال، همچنان توجه ما را به خود جلب می کند. در یکی از «فقط داستان ها» رودیارد کیپلینگ به پلنگ تازه کشف شده گفته می شود: "شما می توانید روی زمین برهنه دراز بکشید و شبیه یک توده سنگریزه به نظر برسید." "شما می توانید روی صخره های لخت دراز بکشید و شبیه یک تکه سنگ پودینگ به نظر برسید. شما می توانید روی یک شاخه برگ دار دراز بکشید و شبیه نور خورشید باشید که از میان برگ ها می گذرد. و شما می توانید درست در وسط یک مسیر دراز بکشید و شبیه هیچ چیز خاصی به نظر نرسید. به این فکر کنید و خرخر کنید!" ؟