Boxfish (cá nóc hòm) cảnh mang trên mình những hoa văn nổi bật với những đốm lục giác cùng “họa tiết” kẻ sọc - sắc nét đến mức các kỹ sư tại Đại học Colorado Boulder (Mỹ) “bối rối” về cách làm thế nào chúng có được vẻ ngoài đặc biệt này.
Hơn 70 năm trước, nhà toán học nổi tiếng Alan Turing - người phát minh ra máy tính hiện đại - đã gợi mở giả thuyết rằng động vật có được hoa văn trên mình thông qua việc sản xuất các chất hóa học khuếch tán qua mô da, tương tự như cách chúng ta đánh kem trong càphê.
Các hóa chất sẽ tương tác với nhau trong khi các tác nhân khác ức chế hoạt động của chúng, và các hoa văn từ đó hình thành. Nhưng lý thuyết của Turing không giải thích được bằng cách nào các “họa tiết” này được thể hiện “rõ mồn một” ở một loài như boxfish cảnh.
Nhóm kỹ sư tại Đại học Colorado Boulder đã khám phá cơ chế khuếch tán có thể tạo ra các hoa văn sắc nét như thế nào, trong một nghiên cứu mới được công bố hôm thứ Tư trên Tạp chí Science Advances.
Sự khuếch tán mô tả chuyển động của các phân tử lơ lửng trong chất lỏng để đáp ứng với gradient nồng độ (sự chênh lệch nồng độ của một chất giữa hai vùng) của một hóa chất riêng biệt, làm cho các hạt nhỏ - trong trường hợp này là tế bào sắc tố - tập trung và kết tụ lại với nhau.
Khi các nhà khoa học tính toán phương trình Turing - được biến đổi để bao gồm quá trình này - các mô phỏng mà họ tạo ra cho thấy đường đi của các phân tử luôn tạo ra những đường viền sắc nét, không giống như những điểm mờ không phân định rõ ràng mà chỉ riêng lý thuyết của Turing tạo ra.
“Điều chúng tôi thực sự tò mò là nếu đó là sự khuếch tán thì các mẫu sẽ không sắc nét… màu sắc sẽ không quá nổi bật. Vậy điều gì mang lại độ sắc nét nổi bật cho những hoa văn này? - Đó là lúc mà phương pháp khuếch tán phát huy tác dụng” - Ankur Gupta, Trợ lý Giáo sư về Kỹ thuật Hóa học và Sinh học tại Đại học Colorado Boulder, cho biết.
Theo một thông cáo báo chí về nghiên cứu nói trên, phát hiện của các kỹ sư cho thấy với sự khuếch tán của các tác nhân hóa học, các tế bào sắc tố cũng bị kéo theo “quỹ đạo” của chúng trong quá trình khuếch tán, tạo ra các đốm và sọc với đường viền sắc nét hơn nhiều.
Gupta cho biết ông hy vọng những phát hiện này sẽ thúc đẩy nghiên cứu sâu hơn về khả năng di truyền khuếch tán liên quan đến sự hình thành phôi và khối u, cũng như khả năng ngụy trang và những quá trình sinh học của các loài khác.
Nghiên cứu mới cho thấy sao biển hoàn toàn không có phần thân
“Ý tưởng làm sắc nét các ‘giao diện’ là một ý tưởng hay và chắc chắn quan trọng đối với chức năng sinh học” - Tiến sỹ Andrew Krause , Trợ lý Giáo sư Toán học Ứng dụng tại Đại học Durham (Vương quốc Anh), người đã nghiên cứu lý thuyết của Turing, cho biết trong một email.
“Các ý tưởng toán học như khuếch tán thường dẫn đến các bề mặt ‘trơn tru’ hoặc liên tục, trong khi hầu hết các ranh giới trong các mô sinh học (ví dụ như ranh giới giữa các cơ quan trên cơ thể bạn) là tương đối ‘cứng nhắc…’ Ít nhất đó là một cách khả thi để làm sắc nét các vùng biểu hiện gen” - Krause, người không tham gia vào nghiên cứu trên, cho biết.
Những khả năng khác để hoàn thiện lý thuyết của Turing
Giả thuyết của Turing xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1952 trong một bài báo ông viết có tựa đề “Cơ sở Hóa học của Sự Hình thành Hình thái.”
Theo lý thuyết của ông, những hoa văn trên cơ thể động vật không phải ngẫu nhiên mà là một quá trình khuếch tán phản ứng hóa học tạo ra các đốm - trên một con báo, hoặc sọc vằn - trên một con hổ, một cách có hệ thống - theo Đại học Warwick.
Jeremy Green, Giáo sư Sinh học Phát triển tại Đại học King's College London, cho biết mặc dù phương pháp khuếch tán là một thay đổi được đề xuất để củng cố lý thuyết của Turing dựa trên nghiên cứu gần đây, nhưng cũng có thể có những giải pháp khả thi khác.
Green, người không tham gia vào nghiên cứu, cho biết trong một email: “Các tế bào cực kỳ dính và rất khó có thể di chuyển bằng phương pháp khuếch tán.
“Các tế bào di chuyển để làm sắc nét một đường vân Turing (trên thực tế là bất kỳ ranh giới nào) không phải là một ý tưởng mới và có thể xảy ra không chỉ bởi hóa hướng động (di chuyển tế bào tích cực) mà còn bởi các cơ chế khác.”
Green cho biết ông tin rằng nghiên cứu này có khả năng ảnh hưởng đến mô hình hóa và thử nghiệm trong tương lai, nhưng vẫn còn những lỗ hổng trong lý thuyết của Turing chưa được khám phá.
Green là đồng tác giả của một nghiên cứu vào tháng 2/2012 - nghiên cứu này đã tìm ra bằng chứng ủng hộ lý thuyết của Turing khi nói đến những đường vân trên vòm miệng của một con chuột.
“Chúng tôi đã xem xét những khả năng khác trong bài báo của mình và thừa nhận rằng các quá trình như hóa hướng động, tức là di chuyển tế bào, đều ‘có mặt’” - Gupta cho biết trong một email.
“Chúng tôi không có ý định khẳng định rằng khuếch tán là cơ chế duy nhất, nhưng đúng hơn là cơ chế này có ‘hiện diện’ và đã bị đánh giá thấp. Kết hợp phương pháp khuếch tán sẽ giúp cải thiện độ tin cậy của những giả thuyết như trên.”./.