تصاویری از مراحل رشد یک جلبک، فرصت کم‌نظیری را در اختیار فیزیک‌پیشگان می‌گذارد تا یک مدل مکانیکی ریخت‌زایی را مورد آزمایش قرار دهند.

شکل1- نمونه‌ی بالغ جلبک موردنظر

فرآیندی که یک سلول بی‌شکل را به یک ارگانیسم شناخته شده تبدیل می‌کند، ریخت‌زایی (morphogenesis) نام دارد و یک بخش فعالِ پژوهشی در زیست‌شناسی محسوب می‌گردد. این فرایند از آن لحاظ برای فیزیک‌‌پیشگان ارزشمند است که به عنوان یک موضوع زنده قادر به ایجاد تغییر شکل در خود است.

اکنون پژوهشگرانی از دانشگاه کمبریج توانسته‌اند تصاویر رشد نوعی جلبک را با یک مدل ریخت‌زاییِ مبتنی بر فیزیک، مقایسه کنند و یکی از چندین نمونه آزمایش عملی ممکن برای چنین مدل‌هایی را پدید آورند.

آن‌ها ارگانیسم مورد نظر را به صورت یک پوسته‌ی کروی الاستیک مدل کرده‌اند که به طور فعال در بخش‌های خاصی خم یا منقبض می‌شود و به این ترتیب توازن لازم بین این حرکات را به منظور رخداد عکس آن بدست آوردند.

نمونه‌ی بزرگسال این جلبک شامل یک لایه از چند هزار سلول است که به نوعی درون یک حفره‌ی کروی محصور شده‌اند. هر سلول دو تاژک (flagella) دارد که با زدن ضربه به آب به جلبک اجازه می‌دهد به سمت نور و مواد غذایی شنا کند. این نوع جلبک درون یک حفره‌ی کروی‌مانند رشد می‌کند (شکل 1را ببینید). و برخلاف نوع بالغ آن، جهت تاژک‌ها به سمت داخل است. و بنابراین با رشد باید تغییر جهت پیدا کنند.

تاژک ابزار حرکت در موجودات ذره‌بینی محسوب می‌شود.

عکس این فرایند در گونه‌های مختلف به شیوه‌های متفاوتی اتفاق می‌افتد. در جدیدترین کار، این گروه فرایند وارونگی را در سه بعد مشاهده کرده و اشکال در حال تغییر را در زمان واقعی به طور کمی توصیف کرده است. آن‌ها همچنین یک مدل مکانیکی پیوسته را که بتواند چگونگی رخداد این فرایند را به تصویر بکشد، خلق کرده‌اند.

شکل 2- بالا: نمای جلبک حین فرایند وارون، پایین: خمش و انقباض سلولی

این گروه با استفاده از یک روش اپتیکی با وضوح بالا تصاویر سه بعدی بدست آورده‌اند که شامل مساحت سلول، انحنای آن و عمق درهم‌رفتگی می‌باشد. با چنین اطلاعاتی، ساده‌ترین مدل مکانیکی ایجاد کردند که بتواند تغییر اشکال در جلبک را حین فرایند وارون بازتولید کند (شکل 2 را ببینید).

برای این کار آن‌ها جلبک را به صورت یک پوسته‌ی الاستیک نازک در نظر گرفتند که در ابتدا به صورت کروی است. سپس به استخراج معادله‌ای پرداختند که بتواند هنگام خم شدن یا انقباض بخشی از آن، شکل پوسته را پیش‌بینی کند. با ایجاد توازن بین انقباض و خم شدن، آن‌ها توانستند به طور کمی هندسه‌ی جلبک را در حین مراحل اول وارونگی توصیف کنند.

این پژوهش جزء جدیدی، ماده‌ی فعال، برای فیزیک پوسته‌های نازک به ارمغان می‌آورد؛ سیستمی که توصیف نظری آن بسیار دشوار است. مهمترین اجزاء این مدل، خمش و انقباض، عام هستند که با تغییر وزن این اجزا، باید برای سایر ارگانیسم‌های مشابه این مدل قابل پیاده‌سازی باشد.

منبع: How to Turn an Embryo Inside Out

مرجع: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.178101