آیا منطقی برای الگوهای پوست جانوران وجود دارد؟

دلیل محکمی وجود دارد که طراحان مد برای الهام گرفتن به پوست حیوانات نگاه می‌کنند. انواع گونه‌ها با الگوهای پوستی متنوعی به تکامل رسیده‌اند: راه‌راه، خال‌دار، لوزی، شورون (الگوی V شکل)، شش‌ضلعی و طرح‌های مارپیچی. برخی از حیوانات مثل طاووس به دنبال دیده‌شدن یا جفت‌یابی یا ترساندن رقیب و شکارچی خود هستند. برخی دیگر مثل ببرها یا اردک‌های ماده نیاز دارند استتار کنند تا شکار کنند یا طعمه‌ی موجود دیگری نشوند.

برخی الگوها به سادگی یا به صورت تصادفی به وجود می‌آیند ولی برخی دیگر از طریق برهم‌کنش‌های دقیق و پیچیده‌ی سیستم‌های الگوساز تولید می‌شوند. پیچیدگی‌های این سیستم‌ها جدای از زیبایی، برای دانشمندانی که به دنبال توضیح‌دادن درباره‌ی چگونگی به وجود آمدن نوارها روی بدن ببر، یا خال‌های یوزپلنگ هستند، الهام‌بخش است.

شکم سفید در برخی پستاندارها مثل گربه‌ها و سگ‌ها، فرمول مستقیمی دارد. وقتی رویان رشد می‌کند، سلول‌های رنگ‌دانه ساز از موقعیت ستون ‌فقرات آینده سرچشمه می‌گیرند و به سمت پائین و اطراف شکم حرکت می‌کنند؛ اما گاهی نمی‌توانند کل بدن را پوشش دهند. به‌این‌ترتیب رنگ‌دانه‌ها شدت خود را از دست می‌دهند و بخش‌هایی از شکم سفید می‌شوند.

خال‌های سیاه روی بدن سگ‌های دالماسی معمولا به صورت تصادفی ایجاد می‌شوند. لکه‌های سیاه و نارنجی روی بدن گربه‌های کالیکو هم به همین صورت به وجود می‌آیند.

با این‌حال الگو‌های راه‌راه سنجابچه‌ها و ببرها، خال‌های روی بدن ماهی‌ها و مرغ‌ها و همچنین بسیاری از دیگر شاخصه‌های برجسته‌ی جانوران با دقتی بالا به وجود آمده‌اند. به‌طوری‌که در یک فرآیند خودسازماندهی، سطح یکپارچه به سطحی الگودار تبدیل می‌شود.

آلن تورینگ شخصی بود که به محاسبه‌ی چگونگی پدیدار شدن الگوها روی بدن جانوران پرداخت. احتمالا او را به‌عنوان ریاضی‌دان قرن بیستم می‌شناسید که در تحلیل کدهای نازی‌ها در طول جنگ جهانی دوم نقش داشت و همچنین اولین طرح‌های مفهومی هوش مصنوعی را ارائه داد. تورینگ همچنین از مهارت‌های ریاضی‌اش برای درک نظم الگوهای روی جنین در حال رشد، استفاده کرد. سال‌هاست دانشمندان از معادله‌های او برای توسعه‌ی الگوهایی مثل شیارهای اثر انگشت، موقعیت جوانه زدن موها و الگوهای رنگی مثل نوارها و خال‌ها استفاده می‌کنند.

همچنین امروزه دانشمندان در بررسی الگوهای روی بدن جانوران هنوز ایده‌های تورینگ را بسیار مؤثر می‌دانند. به‌ویژه وقتی این الگوها با عوامل دیگری ترکیب شوند. در ادامه به آموخته‌های دانشمندان در زمینه‌ی الگوهای جانوری می‌پردازیم که با نظریه‌ی کلاسیک تورینگ آغاز می‌شود.

نقطه‌ساز، ابتدایی‌ترین شکل الگوسازی تورینگ است. این معادله شامل دو ماده‌ی کلیدی یا بر اساس اصطلاحات تورینگ، مورفوژن است که می‌توانند در پوست در حال رشد حرکت کنند. یک ماده که فعال‌ساز است خود و ماده‌ی دیگری یعنی بازدارنده را فعال می‌کند. بازدارنده مانع فعال‌ساز می‌شود.

سیستم به خودی خود نمی‌تواند کار زیادی را انجام دهد، اما اگر مواد از طریق بافت‌ها با سرعت‌های مختلف ترکیب شوند و نوسان‌های تصادفی هم رخ دهند، می‌تواند به الگویی از لکه‌های پایدار روی خز، پوست یا فلس منجر شود.

فرض کنید فعال‌ساز به‌صورت تصادفی در موقعیت‌های مختلف فعال شود. توزیع از منبع را آغاز کند و بخش بیشتری از خود و بازدارنده را در حین حرکت فعال کند. اگر بازدارنده سریع‌تر از فعال‌ساز توزیع شود، مقدار آن به‌صورت محلی برای مسدود کردن کل فعالیت فعال‌ساز کافی نیست. این فرآیند می‌تواند به تولید لکه‌های فعال‌ساز با فاصله‌ی برابر و پایدار منجر شود که با نواحی بازدارنده احاطه شده است.

تغییر پارامترهای سیستم مثل سرعت تولید یا حرکت مورفوژن‌ها یا اندازه و شکل فضایی که در آن حرکت می‌کنند، می‌تواند الگوی نهایی را تغییر دهد. برای مثال دم یوزپلنگ بلند و باریک است و در این فضای باریک، لکه‌ها به شکل نوارهایی کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. به گفته‌ی سیتا میازاوا، زیست‌شناس تکاملی دانشگاه اوزاکا ژاپن: «یک مکانیزم ساده می‌تواند انواع الگوهای متنوع و شگفت‌انگیز را ایجاد کند.»

با این‌حال گاهی فرضیه‌های تورینگ به‌تنهایی برای توصیف الگوهای چشمگیر طبیعت کافی نیستند و دانشمندان باید بازیگران دیگر را فرابخوانند. سلول‌ها ممکن است به‌جای توزیع ساده‌ی مواد شیمیایی، خود دست‌به کار شوند یا احتمالا جانوران نیاز به فرآیندهایی دارند که مورفوژن‌ها را در میان بافت‌ها منتقل کنند تا الگوهایی واضح و شفاف را بسازند.

دانشمندان همچنین نمونه‌های پیچیده را بررسی می‌کنند که در آن‌ها الگوهای تورینگ با مکانیزم‌های الگوسازی دیگر هم‌پوشانی دارند یا دارای بیش از دو مورفوژن واکنش‌دهنده هستند.

گورخرماهی یکی از گونه‌های موردعلاقه‌ی زیست‌شناس‌های تکاملی، دارای نوارهای تمیز سیاه و زرد از قسمت سر تا دم است. در این موجود، انتشار مواد نقش زیادی در تولید الگوها ندارند، بلکه برهم‌کنش‌های پیچیده‌تر بین خود سلول‌های رنگ‌دانه در این فرآیند دخیل‌ هستند. سلول‌ها دو نوع کلیدی دارند: ملانوفورهای سیاه و زانتوفورهای زرد. در یک فاصله‌ی کوتاه، این سلول‌ها یکدیگر را حذف یا دفع می‌کنند، رقابتی که آن‌ها را در نوارهای مجزا روی بدن ماهی تقسیم می‌کند؛ اما در عین حال، اگر سلول‌های سیاه موادی را از سلول‌های زرد دریافت نکنند، می‌میرند؛ بنابراین در فاصله‌ای امن از یکدیگر قرار می‌گیرند.

بر اساس نظریه‌ی تورینگ، ماده‌ای که سلول‌های سیاه از سلول‌های زرد نیاز دارند از طریق انتشار به مقصد می‌رسند، اما در اینجا مشکلی وجود دارد. ماده‌ی سلول زرد باید مسافت‌های وسیع مولکولی یعنی بیش از ۲۰۰ میکرومتر یا طولی معادل با ۲۰ سلول را طی کند تا به سلول‌های سیاه برسد. این فاصله برای توزیع بهینه بسیار زیاد است.

دانشمندان راه‌حل گورخرماهی را در زائده‌های باریک و طویل پیدا کردند که سلول‌های سیاه در مناطق زرد بسط می‌دهند. این زائده‌ها درست به بازوهایی شبیه هستند که در صورت نیاز به ماده دسترسی پیدا می‌کنند. بر اساس یافته‌ها، وقتی نوارها برای اولین‌ بار شکل می‌گیرند، سلول‌های در حال رشد زرد به سمت سلول‌های سیاه پیش می‌روند و عامل اسرارآمیز دیگری را منتقل می‌کنند که باعث می‌شوند سلول‌های سیاه به نوارهای روی پوست تبدیل شوند.

فرآیند فوق تنها نشان می‌دهد که چگونه سلول‌ها فاصله‌ی مواد خاص را به حداقل می‌رسانند و نشان نمی‌دهد مواد چگونه از سلولی به سلول دیگر می‌روند.

گونه‌ی جهش‌یافته‌ی گورخرماهی می‌تواند پاسخی به معماهای یادشده باشد. این ماهی به خاطر وجود لکه به جای نوار، «پلنگ» نامیده می‌شود. ژنی که در گونه‌ی جهش‌یافته شکسته شده است، در ایجاد کانال‌های کوچک موسوم به اتصال‌های شکاف‌دار بین سلول‌ها نقش دارد؛ بنابراین ممکن است ماهی علاوه بر بازوهای سلولی طویل به اتصال‌های شکاف‌دار برای حرکت مواد و تولید خطوط راه‌راه نیاز داشته باشد.

به نظر می‌رسد حرکت‌های سلولی پوستی و اتصال‌های شکاف‌دار در الگوسازی برخی‌ پرنده‌ها هم نقش داشته باشند. پژوهشگرها متوجه شدند که هر دو ویژگی در نوارهای سر تا دم بلدرچین ژاپنی وجود دارند. وقتی آن‌ها پوست بلدرچین را روی یک دیش آزمایشگاهی پرورش دادند، نوارهای سیاه و زرد واضحی شکل گرفتند، اما زمانی که اتصال‌های شکاف‌دار با بازدارنده‌ی شیمیایی غیرفعال شدند، نوارهای زرد، بسیار باریک شدند.

اتصال‌های شکاف‌دار همچنین در نوعی جهش پیچیده‌ی نوارسازی به نام ملانتونیک در پر مرغ‌ها نقش دارند. لیف آندرسون، متخصص ژنتیک دانشگاه اوپسالا در سوئد و یکی از مؤلفان پژوهش‌های مرغ، معتقد است که احتمالا مورفوژن ناشناخته‌ای وجود دارد که در اتصالات شکاف‌دار حرکت می‌کند تا الگوهای پر را به وجود بیاورد.

به نظر می‌رسد جعبه‌ماهی کوبیکاس با شش‌ضلعی‌های واضح، راه‌حل منحصر‌به‌فردی برای مسئله‌ی توزیع دارد. احتمالا اگر مورفوژن‌های کنترل‌کننده‌ی الگو در میان بافت‌ها توزیع می‌شدند، نمی‌توانستند چنین خطوط زاویه‌دار و تمیزی را ایجاد کنند. برای درک بهتر به توزیع رنگ در یک مایع غلیظ فکر کنید: قطره‌های رنگی مختلف در نهایت به توده‌هایی با مرز نامشخص تبدیل می‌شوند.

آنکور گوپتا از دانشگاه کلرادو و همکارش بن السو برای شبیه‌سازی الگوهای شش‌ضلعی در مدل کامپیوتری تورینگ تلاش کردند و به الگوهایی با مرز نامشخص رسیدند. این الگوها شباهتی به الگوهای طبیعی ماهی نداشتند؛ اما دانشمندان در طرحی به نام دیفیوزوفورز به راه حل رسیدند. در این طرح مولکول‌های کوچک، مولکول‌های بزرگ‌تر را می‌کشند یا هل می‌دهند؛ به این صورت است که مولکول‌های کوچک صابون می‌توانند بخش‌های بزرگ کثیفی را در ماشین لباسشویی از لباس‌های شما پاک کنند. وقتی پژوهشگرها دیفیوزوفورز را به مدل‌هایشان اضافه کردند، الگوها شباهت بیشتری به فلس‌های جعبه‌‌ماهی پیدا کردند گرچه باز هم از نمونه‌ی بی‌نقص فاصله داشتند.

پژوهشگرها گمان می‌کنند که برخی از مورفوژن‌های کوچک تورینگ، سلول‌های رنگی ماهی را سر جای خود قرار داده‌اند و ماهی از روش‌های الگوسازی هم برخوردار است. به باور گوپتا قطعا عوامل دیگری هم در این فرآیند نقش دارند.

آنول‌های قهوه‌ای که در حوضه‌ی کارائیب دیده می‌شوند، معمایی متفاوت برای ناتالی فینر، زیست‌شناس تکاملی دانشگاه لوند سوئد به شمار می‌روند. تمام گونه‌های نر این حیوان دارای الگوی یکسانی هستند: شورون‌های تیره (الگوهای V شکل) تا پشت سر؛ اما گونه‌های ماده در دو الگو ظاهر شده‌اند: شورون مانند نرها یا الگوی لوزی‌های کمرنگ که با مثلث‌های تیره‌تر همراه شده‌اند.

به باور فینر، الگوی نوع تورینگ به راحتی می‌تواند لوزی‌ها را توضیح دهد؛ در این الگو سلول‌هایی با رنگ‌های متفاوت از محل شکل‌گیری ستون فقرات به سمت بیرون منتقل می‌شوند؛ اما به نظر می‌رسد لوزی‌ها همراه با شورون‌ها به سمت دم حرکت می‌کنند.

ژنتیک اغلب اوقات سرنخ‌هایی را درباره‌ی مکانیزم‌های الگوسازی ارائه می‌دهد و فینر هم ریشه‌ی الگوی آنول را در ژنی موسوم به CCDC170 پیدا کرده است. یک نسخه از ژن CCDC170 باعث ایجاد لوزی‌ها و دیگری باعث ایجاد شورون می‌شود. وقتی لوزی‌ها غالب شوند، گونه‌های ماده که حداقل یک نسخه‌ی لوزی‌شکل داشته باشند، دارای طرح لوزی در پشت خود خواهند بود. به طور کلی، ماده‌ها پروتئین CCDC170 بیشتری را نسبت به نرها تولید می‌کند؛ بنابراین اگر نرها دارای نسخه‌ی لوزی‌شکل ژن باشند، به نظر نمی‌رسد بتوانند یک الگوی لوزی‌شکل را شکل دهند.

عملکرد پروتئین CCDC170 سرنخ دیگری را ارائه می‌دهد: این پروتئین می‌تواند بر چگونگی حرکت سلول‌ها به اطراف تأثیر بگذارد. دانشمندان دقیقا نمی‌دانند که چگونه نسخه‌های متفاوت این ژن، الگوها را تغییر می‌دهند، اما گمان می‌کنند که CCDC170 احتمالا در مدیریت جهت حرکت سلول‌های رنگدانه در حین حرکت از خط ستون فقرات نقش دارند. سلول‌هایی که به صورت یک‌طرفه حرکت می‌کنند، الگوی لوزی‌شکل و سلول‌هایی که همزمان به سمت دم و به سمت بیرون حرکت می‌کنند، الگوی شورونی ایجاد می‌کنند.

در نهایت، آنول‌ها از تناوب تورینگ همراه با مکانیزمی دیگر استفاده می‌کنند که شامل امکان گسترش سلول‌های رنگدانه به سمت دم و ایجاد الگویی متفاوت است. در نتیجه می‌توان این روش الگوسازی را تورینگ‌پلاس نامید.

برخی ماهی‌ها به شیوه‌ای دیگر پیچیدگی لکه‌سازی تورینگ را افزایش می‌دهند. در بدن آن‌ها دو نسخه‌ از نوع یکسان الگوی تورینگ با یکدیگر ترکیب می‌شوند که مربع تورینگ نامیده می‌شود. بر اساس پیش‌بینی مدل‌های کامپیوتری، ترکیب لکه‌های سیاه روی پس‌زمینه‌ی سفید به علاوه‌ی لکه‌های سفید روی پس‌زمینه‌ی سیاه به ایجاد نوعی توزیع مارپیچ‌مانند از خطوط سفید و سیاه و پیچ‌وتاب‌ها منجر می‌شود.

 در واقع تعداد زیادی ماهی با الگوی مارپیچی در طبیعت وجود دارند. میازاوا در ژاپن به تحلیل هزاران گونه‌ی ماهی با الگوهای لکه‌دار و مارپیچ‌مانند پرداخت. در خانواده‌ی ماهیانی که گونه‌هایی با هر دو الگوی لکه‌ای وجود دارند، اغلب یک نسخه‌ی مارپیچی هم دیده می‌شود. این الگوهای مارپیچی ماهی‌ها انعکاسی از پیش‌بینی‌های ریاضی هستند که تلاقی لکه‌های سیاه در قسمت روشن و لکه‌های روشن در قسمت تاریک به شمار می‌روند.

دانشمندان همچنین در حال بررسی چگونگی شکل‌گیری الگوها در رشد اولیه هستند. در بسیاری از نمونه‌ها، حیوانات در حال رشد یک پیش‌الگوی بدون رنگ دارند که درست مانند خطوط در کتاب‌های رنگ‌آمیزی به نظر می‌رسند. بعدا سلول‌های رنگ‌دانه این الگوها را رنگ‌آمیزی می‌کنند. برای مثال به لطف پروژه‌ی گرگ بارش، متخصص ژنتیک تکاملی دانشگاه استنفورد و همکاران، می‌توان گربه‌ها را به عنوان یک نمونه شاخص درنظر گرفت. آمیزش گربه‌ها به تولد گربه‌هایی با ظاهرهای مختلف از گربه‌های تابی لکه‌دار و راه‌راه، گربه‌های تامی نقطه‌رنگی تا گربه‌ حبشی با نوارهای متغیر رنگی و بسیاری از نمونه‌های دیگر منجر می‌شود.

پژوهشگرها در سال ۲۰۱۲ با بررسی پوست گربه‌های در حال رشد مثل گربه‌های خانگی تابی و شاه یوزپلنگ خالدار به عنصرهایی از پیش‌الگو دست یافتند. بر اساس گزارش آن‌ها، پیش‌الگو پیش از ورود سلول‌های رنگدانه در گربه‌ها به وجود می‌آید.

در نهایت وقتی سلول‌های رنگ‌دانه از راه برسند، تنها یک نوع مداد رنگی در پستانداران ظاهر می‌شود که آن هم ملانوسیت است. ملانوسیت باعث ته‌نشین شدن رنگدانه در سلول‌های پوست و مو می‌شود. بر اساس عواملی مثل سیگنال‌های دریافتی ملانوسیت، دو نوع رنگدانه تولید می‌شوند که می‌توانند سایه‌های رنگی سیاه/قهوه‌ای یا زرد/قرمز به خود بگیرند.

پژوهشگرها به تازگی با شناسایی ژنی به نام Dkk4 بررسی خود را یک گام جلوتر بردند. به نظر می‌رسد این ژن نوعی بازدارنده‌ی تورینگی تولید می‌کند که پیش از رنگ‌آمیزی روی پوست رویان‌های گربه فعال می‌شود.

بررسی‌های ژنتیکی الگوهای گوناگون گربه‌های بزرگسال نشان می‌دهد که ژن Dkk4 معمولا برای بهبود نوارهای عریض عمل می‌کند. در اینجا شواهدی وجود دارد: سروال‌های وحشی که در آفریقا زندگی می‌کنند دارای دو کپی نرمال از ژن Dkk4 هستند و الگوهای نواری واضح بزرگ و لکه‌هایی مثل گربه‌های تابی دارند. گربه‌هایی با یک ژن نرمال و یک ژن جهشی Dkk4 (دز ۵۰ درصد) دارای لکه‌های متعدد و کوچک هستند. همچنین گربه‌های خانگی با دو نسخه‌ی تجزیه‌شده از ژن Dkk4 مثل گربه‌های حبشی دارای خز خط‌دار هستند؛ بنابراین بارش و همکارانش نشان می‌دهند که خطوط گربه‌های حبشی معمولا نوارهای فوق باریک تابی هستند که کنار یکدیگر روی خز قرار گرفته‌اند.

پروتئین تولیدشده از Dkk4 و پروتئین‌های مرتبط اغلب همراه با گروه دیگری از پروتئین‌ها از خانواده‌ی Wnt فعالیت می‌کنند. این زوج پروتئین به الگوسازی تورینگ در سیستمی منجر می‌شوند که به صورت مستقیم به رنگ مربوط نمی‌شود: در موش‌ها، برهم‌کنش بین Wnt-ها به عنوان فعال‌ساز و Dkk-ها به عنوان بازدارنده می‌تواند به کیسه‌های مویی با فاصله در پوست رو به رشد منجر شود.

به نظر می‌رسد موش راه‌راه آفریقایی برای ساخت نوارهایی مشابه سنجابچه، به پروتئین‌های Wnt و Dkk و همچنین عوامل دیگر وابسته است. ریکاردو مالارینو، زیست‌شناس و همکارانش در دانشگاه پرینستون متوجه شدند پیش‌الگوسازی موش نواری و سنجاب‌چه‌ها حاصل سیستم تورینگ همراه با عاملی دیگر است: یک گرادیان ساده از مولکول‌ها که در مقادیر فراوان در ستون فقرات و در مقادیر کمتر به سمت شکم وجود دارند.

بر اساس پیش‌بینی دیرینه‌ی ریاضی‌دان‌ها، قرار گرفتن یک گرادیان ساده روی لکه‌گذاری تورینگ به تولید نوارهای متفاوتی از خال‌های متراکم یا پراکنده می‌انجامد. برکه‌ای با برگ‌های نیلوفر را تصور کنید که در فاصله‌ی برابری از یکدیگر قرار دارند، سپس یک سنگ در میان آن بیندازید. موج اول (گرادیان) از سنگ بالا می‌آید، باعث ایجاد موج‌های بعدی می‌شود و اغلب نیلوفرها را در دره‌ای از موج‌ها فرو می‌برد. در سیستم‌های بیولوژیکی، ریاضی پیش‌بینی می‌کند که لکه‌گذاری تورینگ همراه با گرادیان به طور مشابهی باعث ایجاد نوارهایی با تعداد زیادی خال‌ها می‌شود.

در پوست موش راه‌راه آفریقایی در حال رشد، نیلوفرها همان خال‌هایی هستند که در آن‌ها کیسه‌های مویی به لطف پروتئین‌های Wnt ظاهر می‌شوند. این خال‌ها در ابتدا در بخش‌هایی ظاهر می‌شوند که نوارهای رنگ روشن را تشکیل می‌دهند و دو روز بعد در بخش‌هایی که قرار است تیره‌تر شوند قرار می‌گیرند. این توزیع نه با افتادن سنگ بلکه با افزودن یک گرادیان ایجاد می‌شود؛ تراکمی متناهی از پروتئین‌های تنظیم‌کننده‌ی Wnt از ستون فقرات تا شکم. این کشف در موش‌های نواری اولین نمونه‌ی زنده‌ی الگوی تورینگ همراه با گرادیان به شمار می‌رود که ریاضی‌دان‌ها مدت‌ها قبل پیش‌بینی کرده بودند.

به این ترتیب موش راه‌راه پیش‌الگوی خود را می‌سازد که همان خطوط کتاب رنگ‌آمیزی است. رنگ‌ها هم حاصل ژن دیگری هستند که چگونگی رشد ملانوسیت‌ها را کنترل می‌کنند؛ برخی از آن‌ها در فرآیند رشد به کار گرفته می‌شوند و نمی‌توانند رنگ‌دانه بسازند، در نتیجه باعث ایجاد نوارهای روشن می‌شوند. برخی دیگر هم بالغ می‌شوند و نوارهای تیره را پر می‌کنند.

فرضیه‌های تورینگ همچنان پس از چند دهه قدرت خود را حفظ کرده‌اند؛ اما او تمام اطلاعات را در اختیار نداشت و تکامل، پیچیدگی فعال‌سازها و بازدارنده‌های او را افزایش داده است. الگوی تورینگ قطعا هنوز اهمیت دارد؛ اما طبیعت پیچیده‌تر از آن است که فکر می‌کردیم.