Doğada senkronizasyon çoktur: ateşböceklerinin yanıp sönen ışıklarından okyanusta kıvranan balıkların hareketlerine kadar biyolojik sistemler genellikle birbirleriyle ritmik hareket halindedir. Bu senkronizasyonun nasıl gerçekleştiğinin mekaniği karmaşıktır.
Örneğin beyin damarlarında kan damarları ihtiyaca göre salınım yapar, genişler ve daralır. Nöral aktivite olduğunda arteriyoller kan akışını, oksijeni ve besin maddelerini artırmak için genişler. Bu salınımlar kendi kendine devam eder ancak arterioller aynı zamanda birbirleriyle uyum içinde çalışır. Bunun nasıl olduğu iyi anlaşılmamıştır.
Cevabı ortaya çıkarmak için California San Diego Üniversitesi’ndeki araştırmacılar vücudun başka bir kısmına baktılar: bağırsak. Burada benzer frekanslarda çalışan osilatörlerin arka arkaya kilitlenerek merdiven etkisi yarattığını buldular. Çalışmaları şurada görünüyor: Fiziksel İnceleme Mektupları.
Senkronize biyoloji
Bilim camiasında, eğer arteriol gibi kendi kendine devam eden bir salınımınız varsa ve benzer ancak aynı olmayan bir frekansta harici bir uyaran eklerseniz, ikisini kilitleyebileceğiniz, yani osilatörün frekansını dış uyaranın frekansına değiştirebileceğiniz bilinmektedir. Aslında, iki saati birbirine bağlarsanız, sonunda saatlerin tik taklarını senkronize edecekleri gösterilmiştir.
Değerli Fizik ve Nörobiyoloji Profesörü David Kleinfeld, bir nörona dışarıdan bir uyarı uygulandığında tüm damar sisteminin aynı frekansta kilitleneceğini buldu. Bununla birlikte, iki farklı frekansta iki grup nöronu uyardığında beklenmedik bir şey oldu: Bazı arteriyoller bir frekansta kilitlenirken diğerleri başka bir frekansta kilitlenerek bir merdiven etkisi oluşturuyordu.
Bir açıklama arayan Kleinfeld, canlı sistemlerin fiziğini anlama konusunda uzmanlaşmış meslektaşı Fizik Profesörü Massimo Vergassola’nın yardımına başvurdu ve ardından Ecole Normale Supérieure yüksek lisans öğrencisi Marie Sellier-Prono’yu ve Karmaşık Sistemler Enstitüsü’nde Kıdemli Araştırmacı Massimo Cencini’yi işe aldı. Araştırmacılar birlikte, bağırsak bükümlü klasik bir çift osilatör modelini kullanabileceklerini buldular.
Bağırsak, peristalsis (sindirim sistemindeki kasların kasılması ve gevşemesi) nedeniyle doğal olarak salınır ve beyindeki karmaşık kan damarları ağı üzerinde basitleştirilmiş bir model sağlar. Bağırsak tek yönlüdür, yani frekanslar yüksekten düşüğe doğru tek yönde kayar. Besinlerin ince bağırsağın başlangıcından kalın bağırsağın sonuna kadar tek yönde hareket etmesini sağlayan şey budur.
Vergassola, “Birleşik osilatörler birbirleriyle konuşuyor ve bağırsağın her bölümü, yakınındaki diğer bölümlerle konuşan bir osilatördür” dedi. “Normalde, birleştirilmiş osilatörler homojen bir ortamda incelenir; bu, tüm osilatörlerin aşağı yukarı benzer frekanslarda olduğu anlamına gelir. Bizim durumumuzda osilatörler, tıpkı bağırsakta ve beyinde olduğu gibi, daha çeşitliydi.”
Geçmişteki araştırmacılar, bağırsaktaki eşleşmiş osilatörleri incelerken, aslında benzer frekansların etrafındakilere kilitlendiği ve gıdanın sindirim sistemi boyunca ritmik hareketine izin veren bir merdiven etkisinin olduğunu gözlemlediler. Ancak yükselişlerin veya kırılmaların yüksekliği, merdiven basamaklarının veya frekanslarının uzunluğu ve merdiven olgusunun meydana geldiği koşullar (biyolojik sistemlerin temel özellikleri) şimdiye kadar belirlenmemiş bir şeydi.
Bu yeni matematiksel çözüm, uzun süredir devam eden iki biyolojik soruyu aynı anda yanıtlıyor: Gıdanın sindirim kanalında nasıl hareket ettiği ve nasıl çalkalandığı. Ekip, bu çalışmanın, gastrointestinal motilite bozuklukları olarak bilinen peristalsis ile ilişkili sindirim sağlığı sorunlarına ilişkin daha fazla araştırmayı destekleyeceğini umuyor.
Kleinfeld, “Matematik şimdiye kadar yaklaşık bir şekilde çözülmüştü, ancak bu kırılmaları ve kırılmalarda ne olduğunu sağlayacak şekilde çözülmedi. Bu kritik bir keşif” dedi.
Artık bağırsaktaki salınımlar sorununu çözdüklerine göre, beynin karmaşık damar sistemini incelemeye geri döndüler. Bağırsak tek yönlü ise beyindeki damar sisteminin yüzlerce yönü vardır. Her ikisinde de merdivenler bulunurken, bağırsaktaki merdiven birer birer bir seviyeden diğerine gider. Beyindeki merdivenler aynı anda farklı uzunluklarda farklı yollar boyunca gider.
Kleinfeld, “Beyin bağırsaktan çok daha karmaşıktır, ancak bu bilimin en iyi halidir” dedi. “Bir soru sorarsınız, o sizi başka bir yere götürür, o sorunu çözersiniz, sonra asıl sorunuza dönersiniz.”
