ट्युरिंग पॅटर्न – आता अनेक दशकांपासून, शास्त्रज्ञ आणि जीवशास्त्रज्ञ हे समजून घेण्याचा प्रयत्न करत आहेत की प्राण्यांच्या आवरणातील मंत्रमुग्ध नमुने अविकसित पेशींच्या गटातून कसे उद्भवतात. ब्रिटीश गणितज्ञ ॲलन ट्युरिंग यांनी 1950 च्या दशकाच्या सुरुवातीस असे प्रस्तावित केले की पेशी आणि ऊतक विकसित होत असताना, ते विशिष्ट रेणू किंवा रासायनिक घटक तयार करतात जे त्यांच्या सभोवतालच्या परिसरात पसरतात, एकमेकांशी प्रतिक्रिया देतात आणि अखेरीस नमुन्यांसाठी रंगद्रव्ये तयार करण्याची प्रक्रिया सक्षम करतात.

त्याच वेळी इतर परस्परसंवाद त्यांच्या प्रसारास प्रतिबंध करू शकतात, नमुन्यांमधील रंगद्रव्य नसलेल्या जागा तयार करतात आणि त्यांना विशिष्ट भागात मर्यादित करतात. या मॉडेलबद्दल धन्यवाद, परिणामी नमुन्यांना आज ट्युरिंग पॅटर्न म्हणतात. तथापि, जेव्हा शास्त्रज्ञांनी ट्यूरिंगच्या सूत्रावर आधारित संगणकावर हे मॉडेल नक्कल केले तेव्हा त्यांना आढळले की नमुने झेब्रा, बिबट्या आणि सापांवर दिसणाऱ्या तीक्ष्ण बाह्यरेखा विकसित करत नाहीत.

त्याऐवजी, मॉडेलने केवळ अस्पष्ट नमुने दिले, जसे की प्रसार मर्यादित नाही. सुशोभित बॉक्सफिश काही शास्त्रज्ञ जे तसेच ‘योग्य’ मॉडेल का हे ठरवण्याचा प्रयत्न करत आहेत ते वाहतूक घटनांच्या क्षेत्रावर काम करणारे जैवभौतिकशास्त्रज्ञ आहेत.

चौकशीच्या अशाच एका ओळीमुळे बेल्जियन भौतिक रसायनशास्त्रातील तज्ज्ञ इल्या प्रिगोगिन यांना 1977 चे रसायनशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक मिळाले. आता, 27 ऑक्टोबर रोजी मॅटर या जर्नलमध्ये प्रकाशित झालेल्या कोलोरॅडो-बोल्डर विद्यापीठाच्या अभ्यासात, तीक्ष्ण कडा असलेल्या प्राण्यांच्या आवरणाचे नमुने कसे आकार घेतात हे कळले आहे.

“हे प्राण्यांचे नमुने इतके सुंदर तरीही अपूर्ण कसे आहेत? हाच प्रश्न आहे ज्याचे उत्तर आम्हाला हवे होते,” अंकुर गुप्ता, अभ्यासाचे सहलेखक आणि रासायनिक आणि जैविक अभियांत्रिकी विभागातील सहायक प्राध्यापक म्हणाले. नर सुशोभित बॉक्सफिश (अराकाना ऑर्नाटा) च्या प्रतिमेकडे लक्ष वेधून डॉ. गुप्ता म्हणाले की त्यांचे विद्यार्थी त्याच्या ज्वलंत जांभळ्या-पिवळ्या गिल्डिंगने विशेषतः मंत्रमुग्ध झाले होते आणि त्यांच्या शरीरावरील पिवळ्या षटकोनी रेषा कशा आकार घेतात हे त्यांना समजून घ्यायचे होते.

“आम्ही जवळजवळ अपघाताने यावर काम करण्यास सुरुवात केली, कारण नमुने माझ्या टीमला सिम्युलेशनद्वारे जे काही मिळत होते ते अगदी जवळून सारखे होते.” परिपूर्ण अपूर्णता डॉ.

गुप्ता यांची टीम ट्युरिंग पॅटर्नवर काम करत होती. 2023 मध्ये, त्यांनी डिफ्यूसिओफोरेसीस नावाच्या घटनेला शून्य केले: जेथे द्रवपदार्थ किंवा फैलाव माध्यमामध्ये कोलाइडल कण निलंबित केले जातात ते चुंबकासारखे इतर कण आकर्षित करू शकतात आणि त्यांना एकत्र जोडू शकतात.

जेव्हा त्यांनी सिम्युलेशन चालवले तेव्हा त्यांना आढळले की डिफ्यूसिओफोरेसीसमुळे तयार केलेल्या ट्युरिंग मॉडेलपेक्षा अधिक तीक्ष्ण नमुने येऊ शकतात. पण उलटपक्षी, हे नमुने सममितीय होते — तर निसर्गात त्यांच्यात काही अपूर्णता आहेत.

नवीन अभ्यासात, डॉ. गुप्ता आणि त्यांचे सहकारी सियामक मिरफेंडरेस्की यांनी वेगवेगळ्या पेशींना विशिष्ट आकार देऊन त्यांचे स्वतःचे मॉडेल सुधारले, त्यानंतर ऊतींद्वारे या पेशींच्या हालचालींचे अनुकरण केले.

आणि ते तिथे होते: अपूर्ण ट्युरिंग नमुने जंगलातल्या नमुन्यांप्रमाणेच. प्रसार आणि फैलाव जेव्हा एखादा रेणू द्रव माध्यमातून फिरतो, तेव्हा तो फक्त एका सरळ रेषेत स्थिर वेगाने फिरत नाही.

सुरुवातीच्यासाठी, कारण ते खूप लहान आहे, त्याच्या सभोवतालच्या तापमानातील लहान बदलांमुळे त्याचा परिणाम होईल. दुरून पाहिल्यास, रेणू यादृच्छिक दिशेने फिरताना दिसतील. ही ब्राउनियन गती आहे – आणि अशा प्रकारे रेणूच्या माध्यमाद्वारे प्रवासाला प्रसार म्हणतात.

डॉ. गुप्ता यांच्या निवडीचे उदाहरण म्हणजे काही शाई पाण्यात टाकणे: कालांतराने, शाईचे रेणू विशिष्ट ठिकाणी एकत्र न अडकता, पाण्यातून पूर्णपणे पसरतात. हा प्रसार आहे.

जर शाई नदीत टाकली असती, तर तिचे रेणू अजूनही लहान प्रमाणात पाण्यात पसरले असते. तथापि, मोठ्या प्रमाणावर, विविध प्रवाह सर्व रेणूंना खाली खेचतील. याला फैलाव म्हणतात.

“माध्यमातील सर्व कणांमध्ये काही प्रमाणात प्रसरण गुणांक असतात आणि आजूबाजूला पसरण्याची एक प्रकारची प्रवृत्ती असते. परंतु जर ते एकमेकांवर प्रतिक्रिया देत असतील आणि योग्य परिस्थितीत, तर तुम्ही एकजिनसीपणातून विषमता मिळवू शकता,” डॉ. गुप्ता.

सातत्य मॉडेल त्याच्या कामाच्या दरम्यान, संघाला असे आढळून आले की शास्त्रीय ट्युरिंग मॉडेलचा वापर केल्यास नमुने योग्य सीमांशिवाय अस्पष्ट दिसतात, याचा अर्थ जेव्हा रंगद्रव्यांना फक्त पसरण्याची परवानगी होती. परंतु जर त्यांना एकत्र गुंफण्याची परवानगी दिली गेली, तर संघाला असे आढळले की त्रिमितीय स्पॉट्सचा एक समूह माध्यमात तयार होईल, कण एकत्रित होऊन प्रत्येक स्पॉटभोवती तरंगत असतील. या घटनेला डिफ्यूसिओफोरेसीस म्हणतात.

जेव्हा संशोधकांनी डिफ्यूसिओफोरेसीससह संपूर्ण प्रणालीचे मॉडेल केले, तेव्हा त्यांनी असे निरीक्षण केले की नमुने घडले आहेत आणि ते शास्त्रीय ट्युरिंग मॉडेलपेक्षा खूपच तीक्ष्ण आहेत. परंतु सर्व पेशींचा आकार सारखाच असल्यामुळे त्यांचे नमुने खूपच परिपूर्ण होते.

“सियामकने त्याच्या पीएचडीमधून कौशल्य आणले, ज्यामुळे आम्हाला वैयक्तिक पेशींचे मॉडेल बनवता आले आणि आम्ही अशा 1,00,000 ते 10,00,000 पेशींसाठी असे केले,” डॉ. गुप्ता म्हणाले. “याने आम्हाला या मॉडेलिंगसाठी एक संगणकीय अल्गोरिदम तयार करण्याची परवानगी दिली ज्याचे आम्ही पेपरमध्ये तपशीलवार वर्णन करतो.

आता, आम्ही एका सातत्य मॉडेलपासून दूर जात आहोत आणि प्रत्येक सेलचे स्वतंत्रपणे मॉडेल करण्याचा प्रयत्न करत आहोत आणि याचा परिणाम अधिक वास्तववादी पॅटर्नमध्ये होतो. ” चांगले पॅकिंग करणे शाईच्या उदाहरणामध्ये, अद्ययावत मॉडेल हे पाण्यातील काही कणांसारखे आहे जे शाईच्या रेणूंकडे आकर्षित होतात तर इतरांना मागे टाकले जाते.

या परिस्थितीत पेशींचा आकार महत्त्वाचा असतो कारण ते पेशी गुंफल्यावर एकमेकांभोवती किती चांगले पॅक केले जाऊ शकतात हे नियंत्रित करते. मॉडेलमध्ये, जेव्हा पेशी पॅटर्नच्या जाडीच्या तुलनेत खूपच लहान होत्या, तेव्हा ते मुक्तपणे हलवू शकत होते आणि नवीन पॅटर्नमध्ये व्यवस्थित बसू शकत होते आणि त्यांनी तयार केलेले गठ्ठे गुळगुळीत आणि व्यवस्थित होते. परंतु पेशी जसजशी मोठी होत गेली, रासायनिक पॅटर्नच्या रुंदीच्या जवळ येत गेली, तसतसे ते एकमेकांना अधिक आदळू लागले आणि सर्व पॅटर्नच्या ‘आदर्श’ स्पॉट्समध्ये पूर्णपणे बसू शकले नाहीत, ज्यामुळे अपूर्णता निर्माण होते.

काही भाग घट्ट पॅक केले जाऊ शकतात तर काही विरळ किंवा खंडित केले जाऊ शकतात. मोठ्या कणांचे किंवा पेशींचे पृष्ठभागाचे क्षेत्रफळही जास्त असल्याने, ते लहान पेशींद्वारे बनवलेल्या कणांपेक्षा विस्तृत नमुने तयार करू शकतात. जेव्हा ते आणखी मोठे होते, तेव्हा पेशी संपूर्ण नमुने तयार करू शकत नाहीत.

खऱ्या जैविक ऊतींमध्ये दिसणाऱ्या असमान डागांप्रमाणे गुठळ्या अनियमित आणि खडबडीत होतात. अपूर्ण नमुने “जेव्हा आम्ही विविध आकारांसह पेशींचे मॉडेल बनवले, तेव्हा आमच्या माशांचे नमुने अचानक अधिक वास्तववादी बनले,” डॉ. गुप्ता म्हणाले.

“नमुन्यांमधील अपूर्णता उपस्थित आणि घट्ट आहेत, आणि या फ्रेमवर्कमध्ये विवेकाच्या कल्पनेसारखे काहीतरी पाळले जाते आणि हे नमुने आपल्याला निसर्गात सापडलेल्या गोष्टींसारखे अधिक जवळून दिसतात.” अभ्यास मर्यादांशिवाय नाही.

नवीन मॉडेल ऊती किंवा पेशीमधील जैविक शक्तींसाठी जबाबदार नाही (उदा.

आसंजन), आणि ते खरोखरच झिरपणारे आणि स्क्विशी ब्लॉब्स ऐवजी कठोर गोलाकार म्हणून पेशींचे अनुकरण करते. डॉ. गुप्ता यांच्या मते, या घटकांचा समावेश असलेले भविष्यातील मॉडेल पॅटर्न निर्मितीच्या संदर्भात सूक्ष्म निष्कर्ष काढू शकेल.

आत्तासाठी, नवीन निष्कर्ष मासे, सरडे, सस्तन प्राणी आणि इतर प्राण्यांमध्ये आढळणाऱ्या नैसर्गिक नमुन्यांचे स्पष्टीकरण देण्याच्या जवळ आले आहेत आणि चांगले क्लृप्ती आणि कापड डिझाइनचा मार्ग मोकळा करू शकतात. संध्या रमेश या फ्रीलान्स सायन्स पत्रकार आहेत.