Growth and remodeling control shape memory in morphogenetic rods

تخيل أنك تحاول بناء قلعة رملية على شاطئ حيث يرتفع المد باستمرار والرياح تهب بحبيبات الرمل في كل اتجاه. هذا هو الواقع اليومي للكائنات الحية التي تحاول النمو. من الطريقة التي يلتوي بها جنين ذبابة الفاكهة إلى شكله النهائي، إلى كيفية انحناء ساق نبات نحو الشمس؛ الطبيعة تحاول باستمرار بناء هياكل ثلاثية الأبعاد معقدة من مواد لينة وطرية. لكن هناك مشكلة: هذه المواد فوضوية. فهي مليئة بالارتجافات العشوائية الصغيرة — مثل التشويش في الراديو أو الاصطدام الفوضوي للجزيئات — والتي يمكن أن تفسد بسهولة تصميماً دقيقاً. لطالما تساءل العلماء كيف تنجح الكائنات الحية في بناء أشكال دقيقة وقابلة للتكرار بينما لبنات بنائها صاخبة وعرضة للانهيار إلى أبسط الأشكال المملة الممكنة. الأمر يشبه محاولة طي ورقة لتشكيل طائر "أوريغامي" بينما شخص ما يهز الطاولة والورقة تتحول ببطء إلى ماء.

لحل هذا اللغز، غالباً ما ينظر الباحثون إلى "القضبان" — وهي هياكل طويلة ونحيفة تعمل كأشباه هياكل للأعضاء أو السيقان. تميل هذه القضبان طبيعياً إلى الانبعاج أو الانحناء عندما تصبح طويلة جداً، تماماً مثل قطعة المعكرونة المبللة أو خيط السباغيتي الطويل. عادةً، إذا تركت المعكركة المنبعجة لتهدأ، فإنها ستسترخي ببساطة في منحنى بسيط، وتنسى أي التواءات معقدة حاولت إعطاءها إياها. يسأل هذا البحث سؤالاً كبيراً: كيف تحافظ الأنظمة الحية على أشكالها المتعرجة والمعقدة من التمهيد لتصبح منحنيات مملة، حتى عندما تتعرض لضجيج عشوائي؟ تكمن الإجابة في رقصة دقيقة بين ثلاثة أشياء: سرعة نمو القضيب، ومدى "ليونة" أو قابلية المادة للتكيف (وهي خاصية تسمى اللدونة)، ومقدار الضجيج العشوائي الذي يحاول إفساد الأمر.

قام مؤلفو هذه الدراسة، نيكولاس روميو، وديفيد ب. بروكنر، ونوح ب. ميتشل، ببناء نموذج رياضي لمحاكاة هذه القضبان المتعرجة والنامية. لقد عاملوا القضيب كنوع من المواد "المورفوديناميكية" الخاصة التي يمكنها تغيير ذاكرتها الخاصة. تخيل قطعة من الطين، إذا تركتها بمفردها، فإنها تنسى ببطء الشكل الذي شكلته للتو وتستقر في حالتها الافتراضية المسترخية. أراد الباحثون معرفة ما إذا كان بإمكانهم استخدام قدرة "النسيان" هذه لصالحهم. وجدوا أن الإجابة هي قصة "غولديلوكس" (الاعتدال): إذا كان النسيان قليلاً جداً، سيعود القضيب إلى شكل بسيط؛ وإذا كان النسيان كثيراً جداً، فسيتم دمج الضجيج العشوائي في الشكل، مما يحوله إلى كتلة فوضوية. لكنهم اكتشفوا خدعة سحرية: إذا نما القضيب بسرعة كافية، فيمكنه كسر هذه القاعدة.

إليكم ما وجدوه. أولاً، نظروا فيما يحدث عندما يجلس القضيب مكانه دون نمو. إذا كانت المادة صلبة تماماً (مثل البلاستيك الصلب)، فإن أي شكل معقد تمنحه إياها سينتهي به الأمر في النهاية إلى الاسترخاء في أبسط منحنى ممكن. يسمون هذا "التآكل المرن". إنه يشبه ورقة مجعدة تفرش نفسها ببطء حتى تصبح ورقة مسطحة. لإيقاف ذلك، يجب أن تكون المادة "لدنة" قليلاً — بمعنى أنها يجب أن تكون قادرة على إعادة تشكيل نفسها ببطء لتناسب شكلها الحالي. إذا حدثت إعادة التشكيل بالسرعة المناسبة، فإنها تثبت الشكل المعقد في مكانه. هذه هي منطقة "الضبط المثالي" حيث يتم الحفاظ على الشكل.

ومع ذلك، هناك مشكلة ثانية. إذا كانت المادة لدنة للغاية (مثل العسل السائل جداً)، فستصبح حساسة للغاية للضجيج العشوائي. ستُحبس الارتجافات العشوائية الصغيرة في ذاكرة المادة، مما يحول القضيب إلى فوضى غير منظمة. أظهر المؤلفون من خلال عمليات المحاكاة أن هناك مقايضة: أنت بحاجة إلى قدر كافٍ من اللدونة لمنع الشكل من التمهيد إلى منحنى بسيط، ولكن ليس الكثير بحيث يفسد الضجيج النمط. وهذا يخلق نافذة ضيقة حيث يمكن تذكر الشكل، ولكن فقط إذا لم يكن الشكل شديد التعقيد.

تأتي الطفرة الحقيقية عند إضافة النمو. قام المؤلفون بمحاكاة نمو القضيب ليصبح أطول، مثل ساق النبات التي تتمدد نحو الشمس. وجدوا أن النمو يعمل كقوة خارقة تحل كلا المشكلتين في آن واحد. فبينما ينمو القضيب، فإنه يقلل طبيعياً من الميل نحو التمهيد إلى منحنى بسيط. وفي الوقت نفسه، يعمل النمو على تخفيف تأثير الضجيج العشوائي، مما يجعل الضجيج أقل قدرة على إفساد النمط. في عمليات المحاكاة، وجدوا أنه إذا جمعوا بين النمو السريع ومعدل عالٍ من إعادة التشكيل، يمكنهم إنشاء أشكال معقدة وقابلة للتكرار كانت ستكون مستحيلة لولا ذلك.

باختصار، تقترح الورقة أن الأنظمة الحية لا تعتمد فقط على كونها صلبة أو لينة؛ بل تعتمد على مزيج محدد من النمو السريع وإعادة تشكيل هيكلها بمعدل أمثل. هذا يسمح لها بـ "تذكر" تعليماتها النمطية الأولية رغم فوضى الضجيج والميل للانهيار إلى أشكال بسيطة. استخدم المؤلفون عمليات المحاكاة الحاسوبية لإثبات أن هذا يعمل، بل واشتقوا صيغاً رياضية للتنبؤ بدقة بمدى سرعة النمو وإعادة التشكيل المطلوبين للحفاظ على شكل معين. وبينما يعد هذا حالياً نموذجاً لقضيب واحد، يشير المؤلفون إلى أن هذا المبدأ يمكن أن يفسر كيف تتمكن الأعضاء المعقدة، مثل حلقات الأمعاء أو طيات الدماغ، من التكون بشكل موثوق في عالم الجنين الفوضوي والصاخب. اتضح أنه لبناء شيء معقد، عليك أحياناً أن تنمو بسرعة وأن تكون مستعداً لتغيير رأيك بما يكفي للتمسك بالشكل، ولكن ليس كثيراً لدرجة أن تنساه تماماً.