ปัญหาที่ทำให้งงของการเติบโตตามสัดส่วน
มนุษย์มีน้ำหนักตัวเพิ่มขึ้น 30 เท่าหรือมากกว่านั้นเมื่อโตขึ้นจากทารกจนถึงผู้ใหญ่ สำหรับช้างปัจจัยนั้นใกล้เคียงกับ 100
แต่สิ่งนี้ทำให้เกิดปัญหาสำหรับนักชีววิทยา พวกเขารู้ว่าอวัยวะภายในทั้งหมดเติบโตในอัตราที่เกือบเท่ากันทุกประการ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเติบโตตามสัดส่วน แต่ร่างกายจะจัดระเบียบสิ่งนี้อย่างไร?
ในระดับหนึ่งคำตอบนั้นชัดเจน การเจริญเติบโตถูกควบคุมโดยสารควบคุมทางเคมี เช่น ฮอร์โมน โปรโมเตอร์ สารยับยั้ง และอื่นๆ สิ่งเหล่านี้จะถูกควบคุมโดยยีนต่างๆ
แต่นี่ไม่ใช่คำอธิบายที่น่าพอใจอย่างสิ้นเชิง อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องกับสารเคมีเหล่านี้อาจแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละเซลล์ เนื่องจากมีโมเลกุลจำนวนค่อนข้างน้อยเท่านั้นที่เกี่ยวข้อง
หากความผันแปรเหล่านี้เป็นอิสระ ก็จะทำให้เกิดความแปรผันในการเจริญเติบโตทั่วร่างกายมากกว่าที่สังเกตได้ ดังนั้นหลักการจัดระเบียบอื่น ๆ จึงต้องอยู่ในที่ทำงาน
วันนี้ Tridib Sadhu ที่สถาบันวิทยาศาสตร์ Weizmann ในอิสราเอลและ Deepak Dhar จากสถาบัน Tata Institute of Fundamental Research ในเมืองมุมไบ ประเทศอินเดีย ได้เสนอแนวคิดที่น่าสนใจ
พวกเขาชี้ให้เห็นว่าการเติบโตตามสัดส่วนอาจเป็นตัวอย่างของการจัดระเบียบตนเอง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในระบบธรรมชาติจำนวนมาก พวกเขาแสดงให้เห็นต่อไปว่าการจัดระเบียบตนเองแบบใดแบบหนึ่งที่เกิดขึ้นเมื่อกองทรายโตขึ้นมีคุณสมบัติที่จำเป็นในการอธิบายการเติบโตตามสัดส่วน
Sadhu และ Dhar ศึกษาการเติบโตของกองทรายชนิดหนึ่งที่เรียกว่าแบบจำลองกองทรายอาเบเลียน ประกอบด้วยตารางสี่เหลี่ยมของไซต์ 'กองทราย' ซึ่งแต่ละแห่งสามารถบรรจุเมล็ดพืชได้ถึงสามเม็ด การเพิ่มเมล็ดพืชที่สี่ทำให้เกิดหิมะถล่มซึ่งเมล็ดพืชทั้งสี่นั้นถูกแจกจ่ายไปยังพื้นที่ใกล้เคียงสี่แห่ง
แบบจำลองดำเนินไปตามขั้นตอนของเวลาที่เพิ่มเกรนเดียวลงในไซต์เฉพาะและหิมะถล่มที่เป็นผลลัพธ์อนุญาตให้เรียกใช้หลักสูตรได้
สิ่งที่น่าทึ่งเกี่ยวกับโมเดลนี้คือหลังจากผ่านไปหลายพันขั้นตอน รูปแบบสมมาตรที่ซับซ้อนก็ปรากฏขึ้น ภาพด้านบนแสดงรูปแบบดังกล่าวหลังจากผ่านไป 50,000, 200,000 และ 400,000 ขั้นตอน
เป็นไวรัสที่ชะลอตัวลง
รูปร่างที่แน่นอนของลวดลายและความสมมาตรนั้นขึ้นอยู่กับการกระจายของเกรนที่จุดเริ่มต้น แต่ลวดลายทั้งหมดมีคุณสมบัติที่โดดเด่นเหมือนกัน ลวดลายประกอบด้วยโครงสร้างขนาดใหญ่ที่แยกแยะได้และมีขอบเขตที่แหลมคม ซึ่งทั้งหมดเติบโตในอัตราเดียวกัน ทำให้รูปร่างโดยรวมไม่เปลี่ยนแปลง Sadhu และ Dhar กล่าว นั่นคือการเติบโตตามสัดส่วน ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่นักชีววิทยาต้องการเข้าใจอย่างแท้จริง
เป็นไปได้ไหมว่ากองทรายและอวัยวะต่างก็ใช้หลักการพื้นฐานเดียวกันของการจัดระเบียบตนเองเมื่อเติบโตขึ้น?
Sadhu และ Dhar กล่าวว่ามันง่ายที่จะจินตนาการว่าอวัยวะต่างๆ จะเติบโตในลักษณะเดียวกันได้อย่างไร เนื่องจากท้ายที่สุดแล้วการแบ่งเซลล์จะถูกควบคุมโดยทรัพยากรภายนอก เช่น อาหารและแหล่งพลังงาน โมเดลของเราคำนึงถึงปรากฏการณ์พื้นฐานที่กระบวนการแบ่งเซลล์ทำงานภายใต้เงื่อนไขเกณฑ์บางประการ กล่าวคือ จะไม่เกิดขึ้นจนกว่าจะมีทรัพยากรเพียงพอ
ในแง่นั้น กองทรายและการเติบโตของอวัยวะมีความคล้ายคลึงกัน แต่ก็มีความคล้ายคลึงกันที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งเช่นกัน
ลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งของการเติบโตตามสัดส่วนทางชีววิทยาคือ ทนทานต่อเสียงรบกวนจากภายนอกได้อย่างน่าทึ่ง Sadhu และ Dhar เพิ่มสัญญาณรบกวนประเภทต่างๆ ลงในแบบจำลองกองทราย และกล่าวว่ามีความแข็งแกร่งอย่างน่าทึ่งสำหรับการเปลี่ยนแปลงแบบสุ่มเล็กๆ น้อยๆ ในบริเวณที่มีการเพิ่มธัญพืชและเสียงรบกวนในการกระจายเมล็ดธัญพืชในขั้นต้น อย่างไรก็ตาม กฎเกณฑ์ต่าง ๆ ที่ควบคุมวิธีการแจกจ่ายธัญพืชในแต่ละขั้นตอนนั้นไม่แข็งแกร่ง
คุณสมบัติที่น่าสนใจอีกประการของแบบจำลองกองทรายคือความสมมาตรที่ปรากฎ บางทีทิศทางเดียวสำหรับงานในอนาคตอาจเป็นการเชื่อมโยงสิ่งนี้กับการเกิดขึ้นของสมมาตรทวิภาคีในชีววิทยา เมื่อสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมเติบโต พวกมันจะคงความสมมาตรนี้ไว้ภายในไม่กี่เปอร์เซ็นต์ บางทีกองทรายอาจแบบจำลองอธิบายเรื่องนี้ด้วย
แต่ตัวแบบก็มีข้อจำกัดที่ร้ายแรงเช่นกัน Sadhu และ Dhar มีความคิดที่มีแนวโน้มดีอยู่แล้ว แต่พวกเขาจะต้องทำงานให้หนักขึ้นเพื่อโน้มน้าวนักชีววิทยาว่าควรค่าแก่การใฝ่หา ความจริงที่ว่ากระบวนการหนึ่งมีความคล้ายคลึงกันเพียงผิวเผินกับกระบวนการอื่นไม่ถือเป็นการพิสูจน์หรือแม้แต่ทฤษฎีของสิ่งใด
กระบวนการของวิทยาศาสตร์ต้องการการคาดคะเนที่ทดสอบได้ ซึ่งทำให้ทฤษฎีสามารถปลอมแปลงได้ สิ่งที่คนเหล่านี้ต้องทำในตอนนี้คือพัฒนาวิธีทดสอบแบบจำลองของพวกเขาในภาคสนามกับข้อมูลจริง ก่อนหน้านั้น มันเป็นมากกว่าความอยากรู้เพียงเล็กน้อย
อ้างอิง: arxiv.org/abs/1207.3076 : การสร้างแบบจำลองการเติบโตตามสัดส่วน
