The Morphogenesis Problem
Tutte le cellule di un organismo contengono lo stesso DNA. Eppure le cellule si differenziano — diventando cellule epatiche, neuroni, cellule della pelle, con forme e funzioni completamente diverse. E modelli spaziali emergono spontaneamente — le macchie di un leopardo, le strisce di una zebra, le spirali di un guscio di nautilus. Come sorge l'informazione posizionale in un sistema chimicamente uniforme? Questo è il problema della morfogenesi.
Reaction-Diffusion Systems
Turing propose che due sostanze chimiche — un attivatore e un inibitore — che si diffondono a velocità diverse attraverso il tessuto possono spontaneamente rompere la simmetria spaziale. L'attivatore promuove la propria produzione e quella dell'inibitore; l'inibitore sopprime l'attivatore. Se l'inibitore si diffonde più velocemente dell'attivatore, emergono modelli spaziali stabili (schemi di Turing) — strisce, macchie o geometrie più complesse a seconda dei parametri. L'intuizione chiave: il modello biologico complesso può emergere dalla chimica semplice senza un progetto preesistente.
Conferma e eredità
Gli schemi di Turing sono stati confermati sperimentalmente in sistemi chimici (reazione di Belousov-Zhabotinsky) e, decenni dopo, in sistemi biologici: la spaziatura delle dita (segnalazione BMP e Noggin), il modello dei follicoli piliferi e i modelli di pigmentazione nei pesci. Nel 2012, uno studio ha confermato che il modello delle creste sul palato dei topi segue il meccanismo di reazione-diffusione di Turing. L'articolo che Turing considerava un progetto secondario minore è diventato fondamentale per la biologia dello sviluppo.
Frequently Asked Questions
Di cosa parla il documento di Turing sulla morfogenesi?
L'articolo del 1952 di Turing 'The Chemical Basis of Morphogenesis' propone che due sostanze chimiche che si diffondono a velocità diverse — un attivatore e un inibitore a diffusione più rapida — possono generare spontaneamente modelli spaziali stabili (schemi di Turing) in tessuto chimicamente uniforme. Questo meccanismo, sostiene, è alla base della formazione di modelli biologici: marcature animali, spaziatura delle dita e sviluppo degli organi.
Gli schemi di Turing sono reali in biologia?
Sì. Gli schemi di Turing sono stati confermati in molteplici sistemi biologici: la spaziatura delle dita è governata dalla dinamica di reazione-diffusione BMP-Noggin; il modello dei follicoli piliferi; la pigmentazione dei pesci (le strisce di zebrafish seguono le equazioni di Turing); e la formazione delle creste palatali nei topi (confermato nel 2012). Il meccanismo descritto da Turing nel 1952 è ora un concetto fondamentale nella biologia dello sviluppo.
Che cos'è un sistema di reazione-diffusione?
Un sistema di reazione-diffusione coinvolge due o più sostanze chimiche che reagiscono l'una con l'altra (produzione, distruzione, attivazione, inibizione) mentre si diffondono nello spazio. Se i tassi di reazione e diffusione si trovano nel regime giusto, il sistema sviluppa spontaneamente modelli spaziali stabili da uno stato inizialmente uniforme. Turing analizzò per primo questo in un contesto biologico; la matematica si applica alla chimica, all'ecologia e alla scienza dei materiali.
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