Αρχική Περιβάλλον Εξερευνώντας την ανάπτυξη μέσα σε έναν περιορισμένο χώρο

Εξερευνώντας την ανάπτυξη μέσα σε έναν περιορισμένο χώρο

19 second read
1
185
Εξερευνώντας την ανάπτυξη μέσα σε έναν περιορισμένο χώρο

Καλλιεργήστε μια ντομάτα μέσα σε ένα τετράγωνο κουτί και θα καταλήξετε με μια τετράγωνη ντομάτα. Είναι ένα πείραμα που δείχνει ξεκάθαρα πώς ο εγκλεισμός μπορεί να επηρεάσει το εξελισσόμενο σχήμα ενός σώματος.

Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ένα θεωρητικό πλαίσιο για να εξηγήσουν τους μηχανισμούς για το πώς τα αναπτυσσόμενα σώματα ανταποκρίνονται στον εγκλεισμό. Για να δοκιμάσουν τη θεωρία τους, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής την Tal Cohen, αναπληρώτρια καθηγήτρια πολιτικής και περιβαλλοντικής μηχανικής του MIT και μηχανολόγων μηχανικών, φύτρωσαν βακτήρια χολέρας μέσα σε ένα μαλακό τζελ, παρατηρώντας την αρχιτεκτονική των επεκτεινόντων βακτηριακών βιοφίλμ σε ανάλυση ενός κυττάρου καθώς μεγάλωναν 10.000 φορές μεγαλύτερα.

Ακολουθώντας τη θεωρία, τα βιοφίλμ υιοθετούν μονοπάτια ανάπτυξης που βελτιστοποιούν το σχήμα τους ως απάντηση στον εγκλεισμό και στη βλάβη στο περιβάλλον τζελ καθώς παραμορφώνεται για να περιέχει το βιοφίλμ, σύμφωνα με τη μελέτη που δημοσιεύθηκε στο Journal of the Mechanics and Physics of Solids.

Η μελέτη των προβλημάτων ένταξης έγινε επανάσταση στη δεκαετία του 1950 από τον Βρετανό επιστήμονα John Eshelby, αλλά το έργο της Cohen και των συναδέλφων της είναι ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός, λέει ο Pradeep Sharma, ο M.D. Anderson Πρόεδρος Καθηγητής Μηχανολόγων Μηχανικών στο Πανεπιστήμιο του Χιούστον.

“Ένας από τους βασικούς περιορισμούς της εργασίας του Eshelby είναι ότι περιορίζεται σε υλικά που παραμορφώνονται μόνο ελαφρώς. Ωστόσο, συναντάμε τακτικά πλαίσια όπου οι παραμορφώσεις δεν είναι καθόλου «μικρές», εξηγεί ο Sharma, ο οποίος δε συμμετείχε στη μελέτη MIT-Yale. “Η Κόεν και οι συνάδελφοί της έχουν λύσει ευφυώς το πρόβλημα ένταξης του Έσελμπι για μεγάλες παραμορφώσεις. Τα προβλήματα ένταξης στη μαλακή ύλη όπως τα τζελ, τα ελαστομερή που χρησιμοποιούνται στη μαλακή ρομποτική, οι βιολογικές μεμβράνες, ο τρόπος με τον οποίο τα κύτταρα αλληλεπιδρούν στους ιστούς είναι πλέον προσβάσιμα χάρη στην έρευνα της Cohen.”

Οι ερευνητές θα ήθελαν να μάθουν περισσότερα για το πώς αναπτύσσονται τα βιοφίλμ, καθώς μπορούν να συμβάλουν στην αντοχή στα αντιβιοτικά και τη μηχανική βλάβη των σκαφών και των συστημάτων φιλτραρίσματος νερού. Αλλά τα ευρήματα της Cohen και των συναδέλφων του ισχύουν επίσης για μια ποικιλία περιορισμένων σεναρίων ανάπτυξης, από ένα ίζημα που σχηματίζεται μέσα σε ένα μεταλλικό κράμα έως έναν όγκο που αναπτύσσεται στον πνεύμονα.

Συμπιεσμένες σφαίρες

Οι επιστήμονες έχουν μελετήσει την αλληλεπίδραση μεταξύ ανάπτυξης και περιβαλλοντικού στρες για περιορισμένους οργανισμούς ή εγκλεισμούς για 70 χρόνια. Οι μελέτες αυτές χρησιμοποιούν ένα γραμμικό πλαίσιο για να κατανοήσουν τη σχέση — όσο μεγαλύτερη δύναμη ασκεί το αναπτυσσόμενο σώμα στα όρια περιορισμού του, τόσο μεγαλύτερη μετατόπιση βιώνουν αυτά τα όρια.

Αλλά η συμπεριφορά των υλικών στον πραγματικό κόσμο είναι πολύ πιο περίπλοκη, εξηγεί η Κόεν. Ωθούμενα από ένα αναπτυσσόμενο σώμα, τα όρια περιορισμού μπορεί να αντισταθούν στη μετατόπιση ή μπορεί να καταρρεύσουν. Η σχέση εξελίσσεται πάντα καθώς το μεταβαλλόμενο σχήμα της συμπερίληψης αλληλεπιδρά με τις μεταβαλλόμενες απαντήσεις του κλειστού υλικού της. Το εργαστήριο της Κόεν ειδικεύεται στη μελέτη αυτών των μη γραμμικών επιδράσεων σε στερεά υλικά. Η μη γραμμική θεωρία συμπερίληψης που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές προέβλεψε σημαντικές διαφορές στα σχήματα συμπερίληψης ανάλογα με το αναπτυσσόμενο περιβάλλον τους. Στην περίπτωση των βιοφίλμ, τα βακτήρια σχημάτισαν μια συμπιεσμένη σφαίρα αντί για μια κανονική σφαίρα όταν το περιβάλλον υλικό ήταν σκληρότερο.

Το πειραματικό σύστημα βιοφίλμ ήταν σημαντικό για τη βελτίωση της θεωρίας τους, λέει η Cohen. “Στην πραγματικότητα παρατηρώντας αυτές τις τεράστιες παραμορφώσεις που συμβαίνουν εσωτερικά σε ένα υλικό με πολύ ελεγχόμενο τρόπο θα ήταν πολύ δύσκολο χωρίς αυτό.”

Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αναπτύσσονται οι ενσωματώσεις — και ίσως πώς και γιατί σταματούν να αναπτύσσονται ή πώς προκαλούν βλάβη στο περιβάλλον σώμα τους — θα μπορούσε να είναι σημαντική για την αντιμετώπιση της ανάπτυξης όγκων, προτείνει. Η θεωρία θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί στην επεξεργασία μετάλλων, για να ελέγξει καλύτερα την ανάπτυξη και τις πιέσεις που δημιουργούνται από ένα ίζημα στο μέταλλο για να δημιουργήσει τα κράματα με τα διαφορετικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα.

Διαφορετική προσέγγιση της ανάπτυξης

Το ακραίο παράδειγμα βακτηριακού βιοφίλμ που μεγαλώνει 10.000 φορές είναι στο κέντρο του ενδιαφέροντος αυτού που δουλεύει το εργαστήριο της Κόεν. Αυτή και οι μαθητές της ενδιαφέρονται για το τι συμβαίνει με τα υλικά όταν ωθούνται στα όριά τους. Η ώθηση θα μπορούσε να προέρχεται από ακραία υπερφόρτωση, ή ένα ωστικό κύμα, ή από τις πιέσεις που σχετίζονται με την ανάπτυξη.

Η Κόεν λέει ότι το εργαστήριό της εξετάζει την ανάπτυξη με διαφορετικό τρόπο από τους περισσότερους, ωστόσο. Οι περισσότεροι άνθρωποι ξεκινούν με μια παρατήρηση. Βλέπουν ένα δέντρο, για παράδειγμα, υποθέτουν για το πώς μεγαλώνει και στη συνέχεια δημιουργούν μια θεωρία που αναπαράγει την παρατήρηση.

Αντίθετα, η Cohen και οι συνάδελφοί της αρχίζουν εξετάζοντας τα βασικά στοιχεία της ίδιας της ανάπτυξης. “Διαμελίζουμε ένα σύστημα και προσπαθούμε να το κατανοήσουμε μικροσκοπικά”, λέει, “και ρωτάμε, “ποιοι είναι οι βασικοί μηχανισμοί που δημιουργούν ανάπτυξη εδώ;” Και ελπίζουμε ότι μπορούμε να βρούμε τις φυσικές αρχές που προκαλούν διαφορετικές μορφολογίες.”

Στη συνέχεια, οι ερευνητές ρωτούν σε τι θα μπορούσε να εξελιχθεί ένα σύστημα με αυτές τις αρχές. Αυτή η ανοιχτή προσέγγιση, λέει η Κόεν, καθιστά τις θεωρίες τους χρήσιμες σε μια ποικιλία προβλημάτων στη βιολογία και τα φυσικά συστήματα.

Αναδημοσίευση από www.scitechdaily.com

Διαβάστε επίσης : Γιατί μπορούμε να δούμε το φεγγάρι κατά τη διάρκεια της ημέρας;

Περισσότερα επιστημονικά άρθρα
Περισσότερα επιστημονικά άρθρα Webnews
Περισσότερα επιστημονικά άρθρα Περιβάλλον

Ενδιαφέρον άρθρο

Vegan fast-food: γιατί οι φυτικές εναλλακτικές λύσεις είναι καλές για τον πλανήτη αλλά όχι για την υγεία σας

Οι influencers των μέσων κοινωνικής δικτύωσης, οι παραγωγοί τροφίμων και οι μάρκες γρήγορο…