از خال های پلنگ گرفته تا خطوط روی بدن گورخر و نقش های پیچیده روی پوست ماهی ها، جهان حیوانات پر از الگوهای شگفت انگیز و منحصر به فرد است. این نقش ها نه تنها زیبایی بصری خارق العاده ای دارند، بلکه از دیدگاه زیست شناسی و فیزیک، معمایی پیچیده محسوب می شوند. دهه هاست که دانشمندان در تلاش اند تا بفهمند این الگوها چگونه و بر اساس چه قانونی شکل می گیرند. اکنون، پژوهشی تازه شاید پاسخ نهایی را به این پرسش دیرینه داده باشد.

تیمی از محققان با الهام از کارهای پیشگامانه آلن تورینگ، ریاضی دان بریتانیایی، نظریه ای ساده، اما قدرتمند ارائه داده اند تا چگونگی تجمع سلول ها برای ساخت الگوهای طبیعی را توضیح دهند. آنها در مقاله ای که در مجله Matter منتشر شده، ذکر کرده اند:

نقص ها در سرتاسر طبیعت وجود دارند. تحقیقات ما، فاصله میان مدل های ایده آل و واقعیت پرنقص و در عین حال زیبا را از میان برداشته است.

پژوهشگران با استفاده از مدل خود توانستند الگوهایی را در کامپیوتر شبیه سازی کنند که شباهتی چشمگیر با طرح های واقعی در طبیعت داشتند. نتیجه، گامی مهم در درک نحوه شکل گیری خطوط، خال ها و بافت های رنگی در بدن جانوران بود.

واقص ظریفی هستند که آنها را واقعی تر و طبیعی تر می کند.

این تفاوت باعث می شود که بافت ها هنگام توسعه، شکستگی ها و ناصافی هایی داشته باشند و در نتیجه، الگوهای طبیعی تر و زنده تری ایجاد شود.

نظریه اولیه تورینگ توضیح می دهد که هنگام رشد موجودات زنده، بافت پوست موادی شیمیایی را تولید می کند که در سطح آن پخش می شوند؛ درست مانند زمانی که شیر را درون فنجان قهوه می ریزید و موج هایی سفید روی سطح قهوه پخش می شود.

برخی از این مواد شیمیایی سلول های تولیدکننده رنگدانه را فعال می کنند و موجب شکل گیری لکه ها یا نوارهای رنگی می شوند؛ در حالی که برخی دیگر، آن سلول ها را مهار کرده و فضاهای روشن بین آنها را پدید می آورند.

اما مشکل اینجا بود که شبیه سازی های اولیه، الگوهایی بیش از حد صاف و تکراری ایجاد می کردند، در حالی که الگوهای طبیعی، همواره دارای بی نظمی و نواقص ظریفی هستند که آنها را واقعی تر و طبیعی تر می کند.

در ادامه، تیم تحقیقاتی فرضیه ای جدید به مدل افزود: سلول ها نه تنها با مواد شیمیایی تعامل دارند، بلکه از مکانیزمی به نام دیفوزیوفورز (diffusiophoresis) نیز بهره می برند، که به آنها اجازه می دهد ذرات دیگر را به سمت خود بکشند. با افزودن این عامل، الگوهای تولیدشده بسیار منظم تر شدند، اما این نظم بیش از حد نیز غیرواقعی بود؛ مثلاً هنگام بازسازی نقش های شش ضلعی روی پوست ماهی صندوقی تزیینی، همه شکل ها دقیقاً یکسان و بدون کوچک ترین ناهماهنگی بودند.

در نهایت، دانشمندان متوجه شدند که باید یک عنصر مهم دیگر را در نظر بگیرند: تفاوت اندازه سلول های در حال رشد. این تفاوت باعث می شود که بافت ها هنگام توسعه، شکستگی ها و ناصافی هایی داشته باشند و در نتیجه، الگوهای طبیعی تر و زنده تری ایجاد شود.

نتیجه نهایی شگفت انگیز بود؛ مدل جدید توانست لکه ها، خطوط و طرح هایی تولید کند که نه تنها از نظر ظاهری شبیه به نمونه های واقعی بودند، بلکه همان بی نظمی دل انگیز طبیعت را نیز بازتاب می دادند. پژوهشگران در گزارش خود نوشتند:

ما اکنون می توانیم الگوهای طبیعی را با دقتی چشمگیر بازآفرینی کنیم.

به گفته آنکور گوپتا، محقق اصلی این مطالعه از دانشگاه کلرادو بولدر، انسان ها همواره از طبیعت الهام گرفته اند و این پژوهش نیز ادامه همین مسیر است. درک بهتر از چگونگی تعامل سلول ها و ایجاد الگوها می تواند راه را برای فناوری های نوین هموار کند؛ از طراحی مواد هوشمندی که می توانند بر اساس محیط رنگ خود را تغییر دهند (مانند پوست آفتاب پرست)، تا ساخت روش های دقیق تر برای رساندن دارو به نقاط خاص بدن.

ما از زیبایی ناقص سیستم های طبیعی الهام می گیریم و امیدواریم که بتوانیم از همین نقص ها برای خلق عملکردهای جدید و کاربردی در آینده استفاده کنیم.