นักวิทยาศาสตร์เสนอการปรับปรุงเกี่ยวกับทฤษฎีของทัวริงที่อธิบายที่มาของลายทางและจุด
SAN DIEGO — เรื่องราวทางคณิตศาสตร์ว่าเสือได้ลายทาง เว็บสล็อต และจุดเสือดาวมาได้อย่างไร ได้รับการแก้ไขแล้วเล็กน้อย
ในปีพ.ศ. 2495 นักวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์และพหูสูต Alan Turing ได้คิดค้นทฤษฎีเกี่ยวกับรูปแบบที่ซ้ำซากจำเจ ตั้งแต่การสร้างเม็ดสีบนขนของสัตว์ไปจนถึงการจัดใบไม้ในเฟิร์น ก่อตัวขึ้นในธรรมชาติ ความคิดของเขาคือสารเคมีสองชนิด ซึ่งเขาเรียกว่า morphogens โต้ตอบกันขณะที่กระจายไปทั่วพื้นผิวเพื่อสร้างรูปแบบ
นักชีววิทยาพบหลักฐานเพียงเล็กน้อยว่ารูปแบบธรรมชาติถูกสร้างขึ้นตามที่ทัวริงอธิบายไว้ ประการหนึ่ง สารเคมีไม่กระจายในร่างกายอย่างอิสระ
แต่ Shigeru Kondo จากมหาวิทยาลัยโอซาก้าในญี่ปุ่นคิดว่ามีบางอย่างในความคิดของทัวริง “ฉันเห็นว่าทฤษฎีนี้ดีเกินกว่าจะละทิ้ง” คอนโดะกล่าวเมื่อวันที่ 15 ธันวาคมในการประชุมประจำปีของ American Society for Cell Biology
สมการของทัวริงต้องการให้มอร์โฟเจนตัวใดตัวหนึ่งเป็น “ตัวกระตุ้น” ที่กระตุ้นปฏิกิริยาเคมี และอีกตัวหนึ่งเป็น “ตัวยับยั้ง” ที่ทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาทื่อ ตัวกระตุ้นควรกระตุ้นกิจกรรมของตัวเองในช่วงสั้น ๆ ในขณะที่ตัวยับยั้งควรทำงานกับตัวกระตุ้นในวงจรป้อนกลับทางไกล Turing เสนอ แนวคิดนี้ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์ได้เนื่องจากสูตรง่ายๆ ของแนวคิดนี้สร้างรูปแบบตามธรรมชาติได้อย่างเที่ยงตรง
ในปี 2014 Kondo และเพื่อนร่วมงาน Hiroaki Yamanaka แสดงให้เห็นว่าเซลล์เม็ดสีเหลืองและสีดำเล่น “แท็ก” ในผิวหนังของ zebrafish ( SN: 2/22/14, p. 9 ) พฤติกรรมการวิ่งและไล่ล่าของเซลล์นั้นคล้ายคลึงกับ morphogens ที่แพร่กระจายของทัวริง
H. Frederik Nijhout นักสรีรวิทยาด้านพัฒนาการที่มหาวิทยาลัย Duke กล่าว การทดลองนั้นเป็นงานชิ้นเดียวที่แสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาของทัวริงอาจมีบทบาทในการสร้างรูปแบบทางชีววิทยา
ตอนนี้ Kondo เสนอว่าการแพร่กระจายไม่จำเป็นเพื่อสร้างรูปแบบทัวริง เพื่อให้แนวคิดของทัวริงเข้ากันได้กับระบบทางชีววิทยาที่แท้จริง Kondo แนะนำให้แทนที่การแพร่กระจายด้วยรูปแบบที่แตกต่างกันของปฏิสัมพันธ์ระหว่างเซลล์กับเซลล์ การสื่อสารระหว่างเซลล์ทำหน้าที่กระตุ้นและยับยั้งการทำงานของสมการทัวริง เมื่อเซลล์สัมผัสกัน บางครั้งสัมผัสเต็มที่และบางครั้งผ่านการฉายภาพระยะไกล พวกมันจะทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ทางชีวเคมีที่มีอิทธิพลต่อการก่อตัวของรูปแบบ Kondo ค้นพบว่าการเปลี่ยนแปลงประเภทของปฏิสัมพันธ์และความแข็งแรงของการตอบสนองของเซลล์สามารถสร้างรูปแบบที่คล้ายกับรูปแบบการแพร่กระจายของทัวริงได้
การอัปเดตของเขาซึ่งเขาเรียกว่า Activation Profile Simulator ของ Kondo หรือ KAPS รักษาคณิตศาสตร์พื้นฐานของสมการทัวริงไว้ การจำลองของเขาสามารถสร้างรูปแบบผิวได้หลากหลาย รวมถึงการแรเงาที่ชวนให้นึกถึงผิวของปลาไหล
Thomas Gregor นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยพรินซ์ตันกล่าว “คุณแค่เปลี่ยนกลไกในการแพร่กระจายข้อมูล”
Nijhout ตั้งข้อสังเกตว่าแนวคิดของทัวริงไม่ได้ขึ้นอยู่กับการแพร่กระจายอย่างชัดเจน ต้องการเพียงวิธีการถ่ายโอนข้อมูลในระยะไกลเท่านั้น และตัวยับยั้งจะทำหน้าที่ในระยะทางที่ไกลกว่าตัวกระตุ้น “กลไกกลุ่มถังซึ่งเซลล์ส่งผ่านโมเลกุลหรือสัญญาณหรือโดยที่เซลล์กระตุ้นเซลล์ที่อยู่ติดกันเพื่อผลิตสารกระตุ้นและสารยับยั้งก็สามารถทำงานได้เช่นกัน” เขากล่าวในอีเมล
Kondo กล่าวว่าสมการที่ปรับปรุงใหม่ของเขาสร้างรูปแบบที่มั่นคงเหมือนกับที่พบในสัตว์ที่โตเต็มวัย แต่ไม่สามารถจำลองรูปแบบแบบไดนามิกได้ เช่น ลายทางที่เปลี่ยนไปเมื่อปลาเติบโต และความคิดของเขาใช้ได้ในสองมิติเท่านั้น ดูเหมือนว่าสมการของเขาและทัวริงจะไม่อธิบายการพัฒนารูปแบบสามมิติ เช่น กิ่งก้านของต้นไม้ หรือนิ้วมือและนิ้วเท้า
