Introduzione

Attraverso una nuova analisi di un metodo proposto per la prima volta da Alan Turing per spiegare la diversità dei modelli naturali, un team di ricercatori offre nuove spiegazioni su come i sistemi viventi possono auto-organizzarsi su larga scala, formando strutture complesse in Natura, come ad esempio le striature del manto di una tigre o le strisce di una zebra.

Auto-organizzazione di sistemi non ordinati

Nel 1952, il famoso matematico Alan Turing pubblicò uno studio che descriveva matematicamente come i sistemi composti da molti organismi viventi possono formare ricche e diverse matrici di modelli ordinati. Egli propose che questa “auto-organizzazione” nasce dall’instabilità dei sistemi non ordinati, che possono formarsi come specie diverse che si spintonano per lo spazio e le risorse. Finora, tuttavia, i ricercatori hanno faticato a riprodurre i modelli di Turing in laboratorio, sollevando seri dubbi sulla sua applicabilità.

In un nuovo studio pubblicato su EPJ B, i ricercatori guidati da Malbor Asllani dell’Università di Limerick, Irlanda, hanno rivisitato la teoria di Turing per dimostrare matematicamente come le instabilità possano verificarsi attraverso semplici reazioni e in condizioni ambientali molto diverse.

I risultati del team potrebbero aiutare i biologi a comprendere meglio le origini di molte strutture ordinate esistenti in natura, dalle macchie e/o strisce sui mantelli degli animali, ai gruppi di vegetazione in ambienti aridi.

L’esperimento

Nel modello originale di Turing, sono state introdotte due specie chimiche in punti diversi su un anello chiuso di cellule. Man mano che si diffondevano tra le cellule adiacenti, queste specie “gareggiavano” tra loro mentre interagivano; alla fine si organizzavano per formare dei modelli. Questa formazione di modelli dipendeva dal fatto che la simmetria durante questo processo poteva essere spezzata in gradi diversi a seconda del rapporto tra le velocità di diffusione di ciascuna specie; un meccanismo ora chiamato ‘instabilità di Turing‘. Tuttavia, un significativo svantaggio del meccanismo di Turing era che si basava sull’ipotesi irrealistica che molte sostanze chimiche si diffondono a ritmi diversi.

Attraverso i loro calcoli, il team di Asllani ha dimostrato che in anelli di cellule sufficientemente grandi, dove l’asimmetria di diffusione fa sì che entrambe le specie si muovano nella stessa direzione, le instabilità che generano schemi ordinati sorgeranno sempre – anche quando le sostanze chimiche concorrenti si diffondono alla stessa velocità. Una volta formati, i modelli rimarranno stazionari, oppure si propagheranno costantemente intorno all’anello sotto forma di onde.

Il risultato del team risponde a una delle principali preoccupazioni di Turing riguardo alla sua teoria ed è un importante passo avanti nella nostra comprensione della spinta innata dei sistemi viventi ad organizzarsi.

Citazioni e Approfondimenti