رشد سیستم های زیستی چگونه اتفاق می‌افتد؟ مدل جدید پاسخ می‌دهد!

یکی از معماهای بزرگ حیات، رشد سیستم‌ های زیستی است. فرقی نمی‌کند یک پروتوزوئید میکروسکوپی باشد یا یک وال آبی، تمام سیستم‌های زیستی رشد می‌کنند. اکنون فیزیکدانان مکانیسم جالبی کشف کرده‌اند که می‌تواند این راز را توضیح دهد. آن‌ها یک مدل ریاضی توسعه داده‌اند که رشد سیستم های زیستی را به دقت توضیح می‌دهد. با دیپ لوک همراه باشید…

مدتی طولانی است که دانشمندان از مسئله‌ی طول (length problem) آگاهند، اما این مسئله در بیشتر قرن بیستم نادیده گرفته شد. رابرت لافلین (Robert B. Laughlin) برنده‌ی جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۹۸، یک مقاله جالب در این زمینه و تحت عنوان «امواج بحرانی و مسئله‌ی طول در زیست شناسی» نوشت. وی بیان کرد که مدتی طولانی، پیشرفتی در مورد درک اینکه چگونه ارگانیسم‌ها طول خود را تنظیم می‌کنند، رخ نداد. او پیشنهاد کرد موجودات زنده می‌توانند اندازه‌ی خودشان را برآورد کنند و وقتی این اطلاعات را بدست آوردند، می‌توانند به طور مناسبی پاسخ دهند؛ مثلا رشد بازوها یا پاها را زمانی‌ که این اندام‌ها به اندازه‌ی موردنظر رسیدند، متوقف می‌کنند.

فیزیکدانان دانشگاه سارلند آلمان (Saarland University)، به کمک این ایده‌ها، یک مدل ریاضی توسعه داده‌اند که می‌تواند توضیح دهد سیستم‌های زیستی چگونه می‌توانند طولشان را اندازه بگیرند. دانشمندان آکسون‌ها را به عنوان سیستم مدل خود انتخاب کردند. آکسون‌ها، اجزای کلیدی سلول‌های عصبی (نورون‌ها) هستند. آکسون‌ها مانند یک پل ارتباطی بین سلول‌های عصبی عمل کرده و عبور سیگنال‌های الکتریکی را از یک نورون به نورون دیگر، امکان‌پذیر می‌کنند. بدیهی است ارگانیسم‌ها باید ابزاری برای کنترل اینکه آکسون‌ها چقدر باید رشد کنند، داشته باشند. محققان این پروژه می‌گویند:

ما مدلی از یک مکانیسم را توسعه داده‌ایم که توضیح می‌دهد یک ارگانیسم چگونه می‌تواند این کار را انجام دهد. این مدل نه تنها توضیح می‌دهد نورون‌ها چگونه می‌توانند طول خودشان را تعیین کنند، بلکه می‌تواند به سایر سیستم‌های زیستی نیز تعمیم یابد.

ملکول‌های سیگنال‌دهنده‌ی شیمیایی که رشد سیستم‌ های زیستی را تنظیم می‌کنند، به شیوه‌ی زیر رفتار می‌کنند: ملکول‌ها از طریق سیستم به صورت امواج شیمیایی گسترش می‌یابند تا زمانی که به پایان آکسون برسند. اگر فرکانس در جایی که این موج ملکولی به نقطه‌ی مبدا خود برمی‌گردد، زیاد باشد، ساختار زیستی کوتاه است، اگر فرکانس چنین چرخه‌ای، کم باشد، پس زمان بیشتری طول می‌کشد تا ماده شیمیایی بازگردد و در نتیجه، ساختار، بزرگ است. یک ملکول برای سفر کردن در مسافت چند میکرومتری درون یک باکتری، به زمان کمتری نیاز دارد نسبت به زمانی که بخواهد از ریشه به نوک یک درخت بلوط برسد. فیزیکدانان این مکانیسم را با استفاده از یک مدل ریاضی، توصیف کرده‌اند.

محققان حدس می‌زنند یک سیستم زیستی، مانند یک درخت، یک انسان یا یک سلول می‌تواند فرکانس چنین چرخه‌هایی را اندازه بگیرد و بنابراین می‌تواند طول (مانند طول پا یا طول یک برگ) را تعیین کرده و آن را کنترل کند. این پژوهش می‌تواند برای پژوهش‌های آینده در حوزه‌ی بسیاری از بیمار‌ی‌ها‌ اهمیت بنیادی داشته باشد.