نمط تورينج

فهرس

(See also extended version, June 2012.)

التطبيق البيولوجي

وفي هذا السياق، يمكن استخدام نماذج التفاعل-الانتشار للتنبؤ بالموقع الدقيق لشرفات الأسنان في الفئران والفئران بناءً على الاختلافات في أنماط التعبير الجيني. يمكن استخدام النموذج لشرح الاختلافات في التعبير الجيني بين الفئران وأسنان الفأر، ومركز إشارات السن، وعقدة المينا، وأسرار BMPs ، و FGFs و Shh. يثبط كل من Shh و FGF إنتاج BMP ، بينما يحفز BMP إنتاج المزيد من BMPs وتوليف مثبطاتهم الخاصة. تحفز BMPs كذلك التمايز الظهاري، بينما تحفز FGFs النمو الظهاري. والنتيجة هي نمط من النشاط الجيني يتغير مع تغير شكل السن والعكس صحيح. في ظل هذا النموذج، يمكن إنشاء الاختلافات الكبيرة بين أضراس الفأر والفأرة من خلال تغييرات صغيرة في ثوابت الربط ومعدلات انتشار البروتينات BMP و Shh. تكفي الزيادة الطفيفة في معدل انتشار BMP4 وثابت ارتباط أقوى لمثبطه لتغيير نمط فولي نمو الأسنان إلى نمط نمو الفأر.

وعلى صعيد آخر، الآلية التي اكتسبت اهتمامًا متزايدًا كمولد لأنماط شبيهة بالبقع والشرائط في الأنظمة التنموية مرتبطة بعملية انتشار التفاعل الكيميائي التي وصفها تورينج في عام 1952. تم تخطيط هذا في إطار بيولوجي «التنشيط الذاتي المحلي - التثبيط الجانبي» (LALI) بواسطة Meinhardt و Gierer. على الرغم من أن أنظمة LALI تشبه رسميًا أنظمة التفاعل والانتشار، إلا أنها أكثر ملاءمة للتطبيقات البيولوجية، حيث إنها تشمل الحالات التي يتم فيها التوسط في شروط المنشط والمثبط بواسطة «مفاعلات» خلوية بدلاً من التفاعلات الكيميائية البسيطة، والنقل المكاني يمكن التوسط من خلال آليات إلى جانب الانتشار البسيط. يمكن تطبيق هذه النماذج على تكوين الأطراف وتطور الأسنان من بين أمثلة أخرى.

• انظر كذلك
• علم الأحياء التطوري التطوري
• علم الأحياء الرياضي والنظري
• أنماط في الطبيعة
• نظام التفاعل والانتشار
• مراجع

ملخص

وفي السياق ذاته، كانت النظرية الأصلية، وهي نظرية التفاعل-الانتشار للتكوين، بمثابة نموذج مهم في علم الأحياء النظري. جذبت أنظمة التفاعل-الانتشار الكثير من الاهتمام كنموذج أولي لتشكيل النمط. تم العثور على أنماط مثل الجبهات، والسداسي، واللوالب، والمشارب، والسولتونات المشتتة كحلول لمعادلات تورينج للتفاعل والانتشار.

في هذا الإطار، في نموذج تورينج، تعزز المادة P إنتاج المزيد من المادة P فضلًا عن المواد S. ومع ذلك، فإن المادة S تمنع إنتاج المادة P ؛ إذا انتشر S بسهولة أكبر من P ، فسيتم إنشاء موجات حادة من الاختلافات في التركيز للمادة P. ومن السمات المهمة لنموذج تورينج أنه سيتم تضخيم أطوال موجات كيميائية معينة بينما سيتم قمع جميع الأطوال الموجية الأخرى.

ومن ناحية أخرى، كما تم إظهار أنماط تشبه تورينج في تطوير الكائنات الحية دون الشريحة الكلاسيكية للمورفوجين من النوايا. تشير الدراسات في التنمية الجنينية للفرخ والماوس إلى أن أنماط سلائف الريشة وسماع الشعر يمكن تشكيلها دون نمط ما قبل المورفوجين، وبدلا من ذلك يتم إنشاؤها من خلال التجميع الذاتي لخلايا المايزشيم تحت الجلد. في هذه الحالات، يمكن لسكان الخلايا الزي الرسمية تشكيل مجاميع منقوشة بانتظام تعتمد على الخصائص الميكانيكية للخلايا أنفسهم وصلابة البيئة المحيطة بالبيئة الخلوية المحيطة. تم اقتراح أنماط منتظمة من مجاميع الخلايا من هذا النوع في نموذج نظري صياغته جورج أوستر، والتي افترضت أن التعديلات في الحركة الخلوية والتصلب قد تؤدي إلى أنماط مختلفة لنظافة ذاتية من مجال موحد من الخلايا. قد يتصرف وضع تكوين النمط هذا جنبا إلى جنب مع أنظمة انتشار التفاعل الكلاسيكية، أو بشكل مستقل لتوليد أنماط في التطوير البيولوجي.

ومن ناحية أخرى، ستعتمد المعلمات على النظام المادي قيد الدراسة. في سياق تصبغ جلد السمك، تكون المعادلة المصاحبة لها عبارة عن تفاعل مجال ثلاثي - انتشار حيث ترتبط المعلمات الخطية بتركيز خلية التصبغ وتكون معلمات الانتشار غير متماثلة في جميع المجالات. في البلورات السائلة الصبغية، توصف عملية الأيزومرة الضوئية في مصفوفة البلورة السائلة على أنها معادلة تفاعل-انتشار لحقلين (معلمة ترتيب البلورات السائلة وتركيز أيزومر رابطة الدول المستقلة لصبغة الآزو). كلا النظامين لهما آليات فيزيائية مختلفة جدًا في التفاعلات الكيميائية وعملية الانتشار، ولكن على المستوى الظواهر، كلاهما لهما نفس المكونات.

ومن ناحية أخرى، اقترح تورينج نموذجًا تتفاعل فيه مادتان موزعتان بشكل متجانس (P و S) لإنتاج أنماط مستقرة أثناء التشكل. ستمثل هذه الأنماط الاختلافات الإقليمية في تركيزات المادتين. ستنتج تفاعلاتهم بنية منظمة من الفوضى العشوائية.

من جهة ثانية، كما هو الحال في الكائنات الحية، تحدث أنماط تورينج في أنظمة طبيعية أخرى - مثلًا، تشكلت أنماط الرياح في الرمال. على الرغم من أن أفكار تورينج حول التشكل وأنماط تورينج ظلت كامنة لسنوات عديدة، إلا أنها أصبحت الآن مصدر إلهام لكثير من الأبحاث في علم الأحياء الرياضي. إنها نظرية رئيسية في علم الأحياء التطوري. مثلًا، تتنبأ نظرية مورفوجينية لتكوين الأوعية الليمفاوية أن VEGFC يمكن أن تشكل أنماط تورينج لتنظيم العملية في جنين الزرد. إن أهمية نموذج تورينج واضحة، فهو يوفر إجابة للسؤال الأساسي المتعلق بالتشكل: «كيف يتم إنشاء المعلومات المكانية في الكائنات الحية؟».