در هر جنگلی که قدم بزنید، آثار هنری طبیعت را خواهید دید. خطوط راه‌راه ببر با دقتی شگفت‌انگیز نقش بسته‌اند و لکه‌های پلنگ با ظرافتی خاص پراکنده‌اند. اما هیچ‌کدام بی‌نقص نیستند. هر الگو، نقص کوچکی دارد که آن را منحصربه‌فرد می‌کند.
دانشمندان دانشگاه کلرادو بولدر می‌خواستند بدانند چرا. پژوهش اخیر آن‌ها نشان می‌دهد که سلول‌های زنده چگونه این زیبایی‌های نامنظم را خلق می‌کنند. یافته‌های این تحقیق حتی می‌تواند به انسان‌ها کمک کند تا موادی طراحی کنند که به محیط واکنش نشان دهند — مثلاً پارچه‌ای که به فرمان تغییر رنگ دهد.
تیم تحقیقاتی قصد نداشت از کمال طبیعت تقلید کند، بلکه می‌خواست اشتباهاتش را درک کند. همان نقص‌های کوچک، کلید درک پیچیدگی هستند. هر خط یا لکه نامنظم، داستانی از حرکت، واکنش و سازگاری را روایت می‌کند — گواهی بر اینکه نقص‌ها زیباترین طرح‌های زندگی را می‌سازند.
چگونه الگوهای حیوانات شکل می‌گیرند
نظریه تورینگ (Turing) بنیان زیست‌شناسی الگوها را گذاشت و الهام‌بخش دهه‌ها پژوهش شد. اما حتی با پیشرفت رایانه‌ها، دانشمندان متوجه شکافی میان نظریه و واقعیت شدند.
الگوهای واقعی حیوانات لبه‌هایی تیزتر، تضادهایی قوی‌تر و نامنظمی‌هایی ظریف داشتند که مدل‌های ریاضی قادر به بازتولیدشان نبودند. گذار رنگ‌ها در طبیعت بیش از حد دقیق به‌نظر می‌رسید، گویی سلول‌ها بهتر از آنچه معادلات نشان می‌دادند با هم ارتباط برقرار می‌کردند.
پژوهشگران حدس زدند که چیزی فراتر از انتشار شیمیایی در کار است — شاید نیروهای فیزیکی یا تعامل ذرات باعث سازماندهی سلول‌ها و تعیین الگوی منحصربه‌فرد هر حیوان می‌شوند. این پرسش بی‌پاسخ، نسل جدیدی از آزمایش‌ها را برانگیخت. دانشمندان با ترکیب زیست‌شناسی، فیزیک، شیمی و مدلسازی رایانه‌ای، به دنبال یافتن جزئیات گمشده رفتند.
مدلسازی الگوهای ناقص حیوانی
آنکور گوپتا (Ankur Gupta)، پژوهشگر دانشکده مهندسی شیمی و زیستی دانشگاه کلرادو بولدر، نظری متفاوت مطرح کرد. در سال ۲۰۲۳، تیم او فرآیند جدیدی را به ایده تورینگ افزود که «دیفوزیو‌فورِسیس» (diffusiophoresis) نام دارد. در این فرآیند، ذرات در حال انتشار، ذرات دیگر را با خود می‌کشند — درست مانند صابون که هنگام شست‌وشو، آلودگی را از لباس بیرون می‌کشد.
گوپتا این ایده را با استفاده از ماهی «باکس‌فیش» رنگارنگ آزمایش کرد؛ گونه‌ای با شش‌ضلعی‌های بنفش و سیاه. مدل جدید، الگوهایی دقیق‌تر از همیشه تولید کرد. اما یک مشکل وجود داشت: همه شش‌ضلعی‌ها کاملاً مشابه بودند، در حالی که در طبیعت چنین تقارنی دیده نمی‌شود.
«نقص‌ها در همه‌جای طبیعت حضور دارند» گوپتا می‌گوید. «ما ایده‌ای ساده پیشنهاد کردیم که نشان می‌دهد سلول‌ها چگونه با هم ترکیب می‌شوند تا این تفاوت‌ها را بسازند.»
افزودن واقع‌گرایی به طبیعت
گام بعدی، افزودن واقع‌گرایی بود. تیم گوپتا اندازه‌های متفاوتی به سلول‌ها داد و اجازه داد حرکت کنند. همین تغییر ساده همه‌چیز را دگرگون کرد. ناگهان الگوهای رایانه‌ای زنده به‌نظر می‌رسیدند. برخی لکه‌ها بزرگ‌تر، برخی کوچک‌تر و بعضی حتی شکسته بودند.
گوپتا توضیح می‌دهد: «تصور کنید توپ‌های پینگ‌پنگ با اندازه‌های مختلف درون لوله‌ای حرکت می‌کنند. توپ‌های بزرگ‌تر خطوط ضخیم‌تری می‌سازند و توپ‌های کوچک‌تر از میان شکاف‌ها عبور می‌کنند.»
این تشبیه کارساز بود. سلول‌های بزرگ‌تر ردهای پهن‌تر ایجاد کردند، سلول‌های کوچک‌تر از میان فضاها لغزیدند، و برخورد آن‌ها باعث شکسته شدن خطوط شد. نتیجه؟ الگویی بسیار شبیه پوست گورخر، پلنگ یا ماهی‌های تزئینی.
«ما توانستیم این نقص‌ها و بافت‌ها را تنها با دادن اندازه به سلول‌ها شبیه‌سازی کنیم.» گوپتا گفت.
تبدیل نقص‌ها به عملکرد
پژوهش گوپتا به زیست‌شناسی محدود نمی‌شود. این یافته‌ها با علم مواد نیز پیوند دارد. اگر درک کنیم سلول‌ها چگونه این طرح‌های طبیعی را می‌سازند، می‌توانیم موادی بسازیم که از آن‌ها الهام بگیرند.
- پارچه‌هایی که مانند آفتاب‌پرست رنگ عوض می‌کنند.
- داروهایی که با هدایت دقیق، به بافت‌های هدف منتقل می‌شوند.
- سطوحی که با محیط سازگار می‌شوند و واکنش نشان می‌دهند.
انسان همواره از طبیعت الهام گرفته است. خفاش‌ها الهام‌بخش فناوری سونار شدند، برگ‌های نیلوفر موجب ساخت سطوح خودتمیزشونده شدند، و اکنون پوست حیوانات می‌تواند الهام‌بخش مواد تطبیق‌پذیر آینده باشد.
«ما از زیبایی ناقص سیستم‌های طبیعی الهام می‌گیریم و امیدواریم از این نقص‌ها برای خلق عملکردهای نو بهره ببریم.» گوپتا افزود.
چرا نقص برنده است
کمال، مصنوعی به‌نظر می‌رسد. قدرت طبیعت در تنوع نهفته است. خطوط نامنظم گورخر به او کمک می‌کند در میان علف‌ها استتار کند، و عدم تقارن بال‌های پروانه شکارچیان را سردرگم می‌کند. همین نقص‌ها کلید بقا هستند.
پژوهش گوپتا نشان می‌دهد که بی‌نظمی می‌تواند خلاقانه باشد. نقص‌ها سیستم را مختل نمی‌کنند، بلکه آن را کارآمدتر می‌سازند. با درک نحوه شکل‌گیری هنر طبیعی، انسان می‌تواند فناوری‌هایی بسازد که همان‌قدر زنده، سازگار و زیبا باشند.
این ایده دیدگاه مهندسان را تغییر می‌دهد. به‌جای تلاش برای دقت مطلق، می‌توان از تنوع برای نوآوری استفاده کرد. موادی که تغییر شکل می‌دهند، رنگ عوض می‌کنند یا بافت خود را تطبیق می‌دهند، می‌توانند از همان قوانینی پیروی کنند که پوست ببر را می‌سازند.
این کشف‌ها یادآوری می‌کنند که تعادل اغلب در دل آشوب پنهان است و آنچه تصادفی به‌نظر می‌رسد، شاید هوشمندانه‌ترین طراحی طبیعت باشد.
این پژوهش در مجله Matter منتشر شده است.
