Koffervissen, met hun charmante pruilende mond en diverse, levendige patronen, hebben zowel wetenschappers als liefhebbers al lang gefascineerd. Maar voor twee ingenieurs van de Universiteit van Colorado Boulder vormden de ogenschijnlijk willekeurige vlekken, strepen en zeshoekige ontwerpen van één soort – de sierlijke koffervis – een ander soort intriges: een wiskundige puzzel die zijn oorsprong vond in tientallen jaren oud werk van Alan Turing, vaak geprezen als de vader van het moderne computergebruik.
Het decoderen van de patronen: Turing’s model en biologische realiteit
Siamak Mirfendereski en Ankur Gupta hebben onlangs een nieuw wiskundig model onthuld dat in staat is om de huidpatronen van de sierlijke koffervis nauwkeurig na te bootsen, waarbij zelfs de natuurlijke onvolkomenheden uit de natuur kunnen worden geïntegreerd. Dit model overbrugt de kloof tussen wiskundige modellen en de complexe schoonheid van de biologische werkelijkheid, aldus Dr. Gupta. Uiteindelijk kan dit onderzoek leiden tot vooruitgang op gebieden als bio-geïnspireerde camouflagestoffen en zachte robotica – machines gebouwd met flexibele materialen in plaats van stijve hardware.
Het model bouwt voort op een theoretisch raamwerk dat Turing in 1952 publiceerde. Turing’s werk onderzocht de interactie tussen diffusie – het proces waarbij deeltjes zich verspreiden naar minder bevolkte gebieden – en de chemische reacties die deze deeltjes ondergaan. Hoewel diffusie doorgaans tot uniformiteit leidt (denk aan een druppel voedselkleuring die zich door water verspreidt), theoretiseerde Turing dat de combinatie van diffusie en chemische reacties ervoor zou kunnen zorgen dat deeltjes zich spontaan organiseren in patronen zoals strepen, vlekken en zeshoeken. Deze formaties staan nu bekend als Turing-patronen.
Verder dan geïdealiseerde simulaties: natuurlijke onvolkomenheden vastleggen
De wiskunde die ten grondslag ligt aan Turing-patronen is gebruikt om verschijnselen te verklaren, variërend van luipaardvlekken en zeeschelpwervelingen tot menselijke vingerafdrukken en de verspreiding van materie over sterrenstelsels. Hoewel computerprogramma’s diffusie- en reactieprocessen kunnen simuleren om bepaalde biologische patronen te repliceren, merkt Dr. Gupta op dat bestaande simulaties vaak resultaten opleveren die te geïdealiseerd zijn, en er niet in slagen de variaties en onvolkomenheden in de natuur te weerspiegelen.
De groep van Dr. Gupta stond voor een specifieke uitdaging: het simuleren van de scherpe randen van koffervispatronen. “Een diffuus systeem is per definitie diffuus,” legde hij uit. “Dus hoe kun je scherpe patronen krijgen?” Het inzicht van een student uit 2023 bood de oplossing: een ander type celbeweging in de simulatie opnemen, bekend als difusioforese. Dit proces, dat er ook voor zorgt dat zeep vuil uit kleding trekt tijdens het wassen, zorgt ervoor dat cellen kunnen klonteren en samen kunnen bewegen, aangedreven door de beweging van verspreidende deeltjes.
De resulterende simulaties repliceerden nauwkeurig de onvolkomenheden die werden waargenomen bij echte koffervissen, inclusief variaties in streepdikte, onderbroken lijnen en ongelijke zeshoekformaties. Hoewel deze onvolkomenheden kunnen worden verfijnd, erkent Dr. Gupta dat de simulatie nog steeds een vereenvoudigde versie van de werkelijkheid is. Het houdt geen rekening met alle complexe interacties tussen cellen en mist details over pigmentproductie en andere biologische mechanismen.
Turing’s blijvende erfenis en toekomstige toepassingen
Ondanks zijn beperkingen legde het oorspronkelijke model van Turing – en de verfijnde simulaties die daaruit voortkwamen – een basis voor het beheersen van patroonvorming in zowel biologische als niet-biologische toepassingen. Onderzoekers hebben het gebruikt om patronen in bacteriekolonies te ontwerpen, zebravisstrepen te herschikken, efficiëntere zoutwaterfilters te ontwikkelen en trends in menselijke nederzettingen te analyseren.
“We leren hoe de biologie het doet, zodat we het kunnen repliceren,” verklaarde Dr. Gupta, eraan toevoegend dat zijn voornaamste motivatie eenvoudigweg nieuwsgierigheid was. Hij wil graag begrijpen hoe de natuur “de onvolmaakte maar onderscheidende patronen creëert die biologen al tientallen jaren fascineren.”*
Het onderzoek toont aan dat zelfs ogenschijnlijk willekeurige ontwerpen in de natuur kunnen worden begrepen door de lens van de wiskunde, wat de blijvende relevantie van het werk van Alan Turing en zijn potentieel om toekomstige innovaties te inspireren benadrukt. Door de geheimen achter deze patronen te ontsluiten hopen wetenschappers uiteindelijk niet alleen ons begrip van de natuurlijke wereld te verdiepen, maar ook nieuwe technologieën te ontwikkelen die zijn geïnspireerd door de vindingrijkheid ervan.
