نقش و نگار پوست جانوران رمزگشایی شد

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا، الگو‌هایی که روی پوست حیوانات نقش بسته‌اند مثل آن‌هایی که در گورخر یا قورباغه‌های سمی می‌بینیم، عملکرد‌های زیستی متنوعی دارند و برای تنظیم حرارت، اعلام هشدار یا استتار به کار می‌روند. رنگ‌های تشکیل‌دهنده این نقوش هم باید از هم متمایز باشند. برای مثال، در حالت استتار (آفتاب‌پرست) اصل تفکیک رنگ‌ها موجب می‌شود که جانور به خوبی با محیط اطراف ادغام شود.

در یک پژوهش جدید، محققان دانشگاه «کلرادو بولدر» مکانیسمی را پیشنهاد داده‌اند که نحوه شکل‌گیری این الگو‌های قابل تمایز را توضیح و امید به استفاده از سازو‌کار مشابه در روش‌های تشخیص پزشکی و مواد مصنوعی قابل استفاده در طب را افزایش می‌دهد.

تصور کنید که در لیوان آب، یک قطره رنگ قرمز و یک قطره رنگ آبی ریخته‌اید. طبق اصل انتشار، قطره‌های رنگ به آرامی از بخش‌های پرتراکم به بخش‌های کم‌تراکم حرکت می‌کنند تا رنگ یک‌دست ارغوانی را به وجود بیاورند.

در این میان، یک تناقض پیش می‌آید مبنی بر اینکه با توجه به قانون انتشار که بر پایه یک‌دستی رنگ‌ها است، چطور می‌توان وجود نقش و نگار‌های رنگی روی پوست جانوران را توجیه کرد؟

در سال ۱۹۵۲، ریاضی‌دانی به نام «آلن تورینگ» (Alan Turing) نشان داد که در شرایط مناسب، واکنش‌های شیمیایی دخیل در ایجاد رنگ می‌توانند در تعامل با یکدیگر، قانون انتشار را به چالش بکشند. به این ترتیب، شاهد خودساماندهی رنگ‌ها و ایجاد مناطقی هستیم که به‌رغم به هم پیوستگی، رنگ‌های متفاوتی دارند. در اصطلاح علمی به چنین نقش و نگار‌های تفکیک‌شده‌ای، الگوی تورینگ گفته می‌شود.

البته، برخلاف آنچه که در طبیعت و روی پوست حیوانات می‌بینیم، در مدل ریاضی مرز میان رنگ‌ها به دلیل واکنش تداخلی قانون انتشار، مبهم است.

در تلاش برای پررنگ کردن مرزبندی رنگ‌ها در محیط آزمایشگاهی، پژوهشگران متوجه شدند ذرات میکرونی (مانند سلول‌های دخیل در فرایند تولید رنگ پوست جانوران) با گیر افتادن در حد فاصل دو منطقه که داری اختلاف تراکم در غلظت سایر املاح محلول هستند، ساختار‌های نواری تشکیل می‌دهند.

در مثال لیوان آب و قطره‌های رنگ، وقتی رنگ قرمز از بخش کم‌تراکم به بخش پرتراکم حرکت می‌کند، املاح مجاور را نیز همراه خود می‌برد. به این پدیده تغییر چگالش یا دیفیوزیوفورز (diffusiophoresis) می‌گویند.در هنگام شستن لباس‌های کثیف، این پدیده موجب می‌شود که همزمان با انتشار مواد شوینده از لباس به داخل آب، ذرات آلودگی نیز همراه آن‌ها از لباس جدا شوند و به داخل آب تراوش کنند.

پژوهشگران می‌گویند رنگدانه‌هایی هم که رنگ پوست حیوانات را تشکیل می‌دهند، در اندازه میکرون هستند و به احتمال زیاد همین پدیده دیفیوزیوفورز است که به تفکیک رنگ‌ها در پوست جانوران منجر می‌شود و سازوکار فیزیکی تشکیل نقش و نگار‌های بیولوژیکی را توجیه می‌کند. 
فهم اینکه چگونه طبیعت عملکرد‌های خاص را برنامه‌ریزی می‌کند، می‌تواند به پژوهشگران در طراحی سامانه‌های مصنوعی که عملکرد‌های مشابهی دارند، کمک کند.

تجربه‌های آزمایشگاهی نشان می‌دهد که دانشمندان می‌توانند از پدیده دیفیوزیوفورز در ساخت فیلتر‌های آبی بدون غشا و ابزار‌های ارزان‌قیمت تولید دارو استفاده کنند.

این پژوهش نشان می‌دهد که پدیده دیفیوزیوفورز در ترکیب با شرایطی که به تشکیل الگو‌های تورینگ منجر می‌شود، می‌تواند به فرم‌دهی زیربنای تکه‌های پوست مصنوعی هم کمک کند. این هم درست مانند روند سازش‌پذیری رنگ پوست جانوران، نشان‌دهنده تفاوت‌های اساسی در غلظت‌های شیمیایی در داخل یا خارج از بدن است.

وصله‌های پوستی که به چنین تغییراتی حساس هستند، می‌توانند به تشخیص بیماری و رصد وضعیت بیمار از طریق ردیابی تغییرات به‌وجود‌آمده در نشانگر‌های بیوشیمیایی کمک کنند. همچنین وصله‌های پوستی می‌توانند تغییر در میزان غلظت مواد شیمیایی موجود در محیط را هم حس کنند.

علاوه برنقش و نگار پوست جانوران، الگو‌های تورینگ در فرآیند‌های دیگر مانند رشد جنین و تشکیل تومور بسیار مهم هستند. این پژوهش نشان داد که پدیده دیفیوزیوفورز ممکن است نقش مهمی در این فرآیند‌های طبیعی داشته باشد.

مطالعه نحوه شکل‌گیری الگو‌های بیولوژیکی به محققان کمک می‌کند تا به شبیه‌سازی عملکرد‌های طبیعی در محیط آزمایشگاهی یک قدم نزدیک‌تر شوند.