راز شکل‌گیری الگوهای طبیعی روی پوست حیوانات
از خال‌های پلنگ گرفته تا خطوط روی بدن گورخر و نقش‌های پیچیده روی پوست ماهی‌ها، جهان حیوانات پر از الگوهای شگفت‌انگیز و منحصر‌به‌فرد است. این نقش‌ها نه‌تنها زیبایی بصری خارق‌العاده‌ای دارند، بلکه از دیدگاه زیست‌شناسی و فیزیک، معمایی پیچیده محسوب می‌شوند. دهه‌هاست که دانشمندان در تلاش‌اند تا بفهمند این الگوها چگونه و بر اساس چه قانونی شکل می‌گیرند. اکنون، پژوهشی تازه شاید پاسخ نهایی را به این پرسش دیرینه داده باشد.
کشفی بر پایه نظریه تورینگ
تیمی از محققان با الهام از کارهای پیشگامانه آلن تورینگ، ریاضی‌دان بریتانیایی، نظریه‌ای ساده، اما قدرتمند ارائه داده‌اند تا چگونگی تجمع سلول‌ها برای ساخت الگوهای طبیعی را توضیح دهند. آنها در مقاله‌ای که در مجله Matter منتشر شده، ذکر کرده‌اند:
نقص‌ها در سرتاسر طبیعت وجود دارند. تحقیقات ما، فاصله میان مدل‌های ایده‌آل و واقعیت پرنقص و در عین حال زیبا را از میان برداشته است.
پژوهشگران با استفاده از مدل خود توانستند الگوهایی را در کامپیوتر شبیه‌سازی کنند که شباهتی چشمگیر با طرح‌های واقعی در طبیعت داشتند. نتیجه، گامی مهم در درک نحوه شکل‌گیری خطوط، خال‌ها و بافت‌های رنگی در بدن جانوران بود.
نظریه اولیه تورینگ توضیح می‌دهد که هنگام رشد موجودات زنده، بافت پوست موادی شیمیایی را تولید می‌کند که در سطح آن پخش می‌شوند؛ درست مانند زمانی که شیر را درون فنجان قهوه می‌ریزید و موج‌هایی سفید روی سطح قهوه پخش می‌شود.
برخی از این مواد شیمیایی سلول‌های تولیدکننده رنگدانه را فعال می‌کنند و موجب شکل‌گیری لکه‌ها یا نوارهای رنگی می‌شوند؛ در حالی که برخی دیگر، آن سلول‌ها را مهار کرده و فضاهای روشن بین آنها را پدید می‌آورند.
اما مشکل اینجا بود که شبیه‌سازی‌های اولیه، الگوهایی بیش از حد صاف و تکراری ایجاد می‌کردند، در حالی که الگوهای طبیعی، همواره دارای بی‌نظمی و نواقص ظریفی هستند که آنها را واقعی‌تر و طبیعی‌تر می‌کند.
افزودن «نقص» به مدل برای نزدیک شدن به واقعیت
در ادامه، تیم تحقیقاتی فرضیه‌ای جدید به مدل افزود: سلول‌ها نه‌تنها با مواد شیمیایی تعامل دارند، بلکه از مکانیزمی به نام «دیفوزیوفورز» (diffusiophoresis) نیز بهره می‌برند، که به آنها اجازه می‌دهد ذرات دیگر را به سمت خود بکشند. با افزودن این عامل، الگوهای تولیدشده بسیار منظم‌تر شدند، اما این نظم بیش از حد نیز غیرواقعی بود؛ مثلاً هنگام بازسازی نقش‌های شش‌ضلعی روی پوست ماهی صندوقی تزئینی، همه شکل‌ها دقیقاً یکسان و بدون کوچک‌ترین ناهماهنگی بودند.
در نهایت، دانشمندان متوجه شدند که باید یک عنصر مهم دیگر را در نظر بگیرند: تفاوت اندازه سلول‌های در حال رشد. این تفاوت باعث می‌شود که بافت‌ها هنگام توسعه، شکستگی‌ها و ناصافی‌هایی داشته باشند و در نتیجه، الگوهای طبیعی‌تر و زنده‌تری ایجاد شود.
نتیجه نهایی شگفت‌انگیز بود؛ مدل جدید توانست لکه‌ها، خطوط و طرح‌هایی تولید کند که نه‌تنها از نظر ظاهری شبیه به نمونه‌های واقعی بودند، بلکه همان بی‌نظمی دل‌انگیز طبیعت را نیز بازتاب می‌دادند. پژوهشگران در گزارش خود نوشتند:
ما اکنون می‌توانیم الگوهای طبیعی را با دقتی چشمگیر بازآفرینی کنیم.
الهام از طبیعت برای فناوری‌های آینده
به گفته آنکور گوپتا، محقق اصلی این مطالعه از دانشگاه کلرادو بولدر، انسان‌ها همواره از طبیعت الهام گرفته‌اند و این پژوهش نیز ادامه همین مسیر است. درک بهتر از چگونگی تعامل سلول‌ها و ایجاد الگوها می‌تواند راه را برای فناوری‌های نوین هموار کند؛ از طراحی مواد هوشمندی که می‌توانند بر اساس محیط رنگ خود را تغییر دهند (مانند پوست آفتاب‌پرست)، تا ساخت روش‌های دقیق‌تر برای رساندن دارو به نقاط خاص بدن.
ما از زیبایی ناقص سیستم‌های طبیعی الهام می‌گیریم و امیدواریم که بتوانیم از همین نقص‌ها برای خلق عملکردهای جدید و کاربردی در آینده استفاده کنیم.
