Uważa się, że wzorce interakcji chemicznych tworzą w przyrodzie wzory, takie jak paski i plamy np. umaszczenia zebr. Odkrycia, opublikowane właśnie w Nature Communications ujawniają, że ruch wici, na przykład ogonków plemników i rzęsek, przebiega według tego samego szablonu tworzenia wzorów, który odkrył słynny matematyk Alan Turing, zwany dziś ojcem sztucznej inteligencji.
Falowanie wici tworzy wzory pasków w czasoprzestrzeni, generując ruchy wzdłuż ogona i popychając plemniki czy drobnoustroje do przodu.
Alan Turing, znany z pomocy w złamaniu kodu Enigmy podczas II wojny światowej, opracował m.in. teorię tworzenia wzorów chemicznych, która przewidywała, że mogą pojawiać się spontanicznie tylko z dwoma składnikami: substancjami chemicznymi rozprzestrzeniającymi się (dyfundującymi) i reagującymi razem. Turing jako pierwszy zaproponował tak zwaną teorię reakcji i dyfuzji, dotyczącą tworzenia wzorów.
W ten sposób pomógł utorować drogę zupełnie nowemu rodzajowi badań wykorzystujących matematykę reakcji i dyfuzji do zrozumienia naturalnych wzorców. Nazywane są oczywiście wzorami Turinga. Chociaż nie zostało to jeszcze udowodnione eksperymentalnie, uważa się, że te wzorce rządzą wieloma wzorami występującymi w naturze, takimi jak plamy lamparta, okółek nasion w główce słonecznika i wzory umaszczenia zebr. Teorię Turinga można zastosować w różnych dziedzinach, od biologii i robotyki po astrofizykę.
Matematyk dr Hermes Gadêlha , kierownik Polymaths Lab i jego doktorant James Cass przeprowadzili najnowsze badania nad tym zagadnieniem w Szkole Inżynierii Matematyki i Technologii na Uniwersytecie w Bristolu . Gadêlha wyjaśnił: – Spontaniczny ruch wici i rzęsek na żywo obserwuje się wszędzie w przyrodzie, ale niewiele wiadomo na temat ich organizacji. Odgrywają decydujące znaczenie dla zdrowia i chorób, reprodukcji, ewolucji i przetrwania prawie każdego mikroorganizmu wodnego na ziemi.
Zespół zainspirował się niedawnymi obserwacjami dotyczącymi płynów o niskiej lepkości, które wykazały, że otaczające środowisko odgrywa niewielką rolę dla wici. Wykorzystali modelowanie matematyczne, symulacje i dopasowywanie danych, aby wykazać, że falowanie wici może powstawać samoistnie, bez wpływu ich płynnego środowiska.
Matematycznie jest to odpowiednik układu reakcji i dyfuzji Turinga, który po raz pierwszy zaproponowano dla wzorów chemicznych.
W przypadku przemieszczania się plemników reakcje chemiczne silników molekularnych napędzają wić, a ruch rozprzestrzenia się wzdłuż ogona falami. Poziom ogólności między wzorcami wizualnymi a wzorcami ruchu jest uderzający i nieoczekiwany i pokazuje, że do osiągnięcia bardzo złożonego ruchu potrzebne są tylko dwa proste składniki.
Dr Gadêlha dodał: – Pokazujemy, że według tego matematycznego «przepisu» działają dwa bardzo odległe gatunki – plemnik byka i Chlamydomonas (alga zielona używana w nauce jako organizm modelowy), co sugeruje, że natura replikuje podobne rozwiązania.
– Wędrujące fale pojawiają się spontanicznie, nawet jeśli na wić nie mają wpływu siły otaczającego płynu. Oznacza to, że wić posiada niezawodny mechanizm umożliwiający pływanie w środowiskach o niskiej lepkości, co w przeciwnym razie byłoby niemożliwe dla gatunków wodnych – stwierdziła we wnioskach z badania. – Po raz pierwszy symulacje modelowe dobrze porównują się z danymi eksperymentalnymi.
Odkrycia te mogą zostać wykorzystane w przyszłości do lepszego zrozumienia problemów z płodnością związanych z nieprawidłowymi ruchami wici i innymi ciliopatiami – chorobami wywołane przez nieefektywne rzęski w organizmie człowieka.
Badania można również prowadzić pod kątem zastosowań robotycznych, sztucznych mięśni i materiałów animowanych, ponieważ zespół odkrył prosty „matematyczny przepis” na tworzenie wzorców ruchu.
Dr Gadêlha jest członkiem SoftLab w Bristol Robotics Laboratory (BRL), gdzie wykorzystuje matematykę tworzenia wzorców do opracowywania innowacji nowej generacji miękkich robotów.
– W 1952 r. Turing odkrył podstawy reakcji i dyfuzji – powiedział dr Gadêlha. – Pokazujemy, że «atom» ruchu w świecie komórkowym, wić, wykorzystuje szablon Turinga do kształtowania wzorców ruchu napędzających ruch ogona, który popycha plemniki do przodu.
– Chociaż jest to krok bliżej matematycznego dekodowania spontanicznej animacji w przyrodzie, nasz model reakcji i dyfuzji jest zdecydowanie zbyt prosty, aby w pełni uchwycić całą złożoność. W przestrzeni modeli mogą istnieć inne modele z równym, a nawet lepszym dopasowaniem do eksperymentów, o których po prostu nie mamy jeszcze wiedzy o ich istnieniu, dlatego nadal potrzebne są znacznie dalsze badania!
Prace obliczeniowe przeprowadzono z wykorzystaniem infrastruktury obliczeniowej i przechowywania danych Centrum Badań nad Zaawansowanymi Obliczeniami (Advanced Computing Research Centre) na Uniwersytecie w Bristolu.
Treść publikacji znajduje się TU
Zdjęcie zajawka: Freepik
Zostaw komentarz
You must be logged in to post a comment.