Как животные получают свои пятна и почему они красиво несовершенны

от

Мир животных полон разнообразных и сложных узоров: от полос у тигров до пятен у леопардов. В новом исследовании учёные из Колорадского университета в Боулдере усовершенствовали свою предыдущую теорию о том, как формируются узоры у животных, и успешно воссоздали несовершенства в природных рисунках, например, неправильные пятна на леопарде.

Новый механизм, описанный в журнале Matter, может привести к созданию материалов, которые могут реагировать на окружающую среду, таких как ткани, меняющие цвет по требованию для маскировки.

«Несовершенства встречаются повсюду в природе, — сказал ведущий исследователь исследования Анкур Гупта из отдела химической и биологической инженерии. — Мы предложили простую идею, которая может объяснить, как клетки собираются вместе, чтобы создать эти вариации».

Десятилетия исследований

Десятилетиями учёные пытались разгадать, как из массы развивающихся клеток появляются разные узоры у животных. В 1952 году математик Алан Тьюринг предположил, что по мере развития тканей они производят химические вещества, которые диффундируют в систему, подобно тому как молоко вливается в кофе.

Некоторые из этих химических веществ активируют клетки, производящие пигмент, формируя пятна. Другие химические вещества подавляют эти клетки, создавая пустые пространства между ними.

Но так же, как молоко делает кофе мутным, компьютерные симуляции, основанные на теории Тьюринга, создавали пятна более размытые, чем те, что встречаются в природе.

Улучшение теории

В 2023 году Гупта и его коллеги усовершенствовали теорию Тьюринга, добавив ещё один механизм, называемый диффузиофорезом, — процесс, при котором диффундирующие частицы тянут за собой другие частицы. Это тот же принцип, который помогает стирке стать чистой: когда мыло диффундирует из белья в воду, оно вытягивает грязь из ткани.

Когда Гупта смоделировал фиолетово-чёрный шестиугольный узор, который можно увидеть на нарядных рыбках-боксерах, ярких видах, обитающих в морях у берегов Австралии, он обнаружил, что диффузиофорез может генерировать узоры с более чёткими очертаниями, чем в оригинальной модели Тьюринга.

Однако результаты команды были немного слишком идеальными. Все шестиугольники были одинакового размера и формы, а промежутки между ними — идентичными.

В природе ни у одного животного нет безупречных узоров. Чёрные полосы зебры различаются по толщине, а шестиугольники на рыбке-боксере никогда не бывают идеально однородными.

Поэтому Гупта и его команда решили усовершенствовать модель диффузиофореза. Они обнаружили, что, задав индивидуальным клеткам определённые размеры и смоделировав, как каждая из них движется через ткань, их симуляции начали создавать несовершенные узоры и текстуры.

Представьте себе шарики для пинг-понга разного размера, движущиеся по трубе. Более крупные шарики создавали бы более толстые очертания, чем более мелкие. Когда более крупные клетки группируются, они формируют более широкие узоры. Иногда шарики сталкиваются друг с другом и забивают трубу, нарушая непрерывную линию. Когда клетки испытывают это, они создают разрывы в полосах.

«Мы можем уловить эти несовершенства и текстуры, просто задав клеткам размер», — сказал Гупта. Их симуляции показали разрывы и зернистые текстуры, которые гораздо больше похожи на то, что можно увидеть в природе.

В будущем Гупта планирует включить более сложные взаимодействия между клетками и фоновыми химическими агентами, чтобы улучшить свои симуляции.

Вдохновение из природы

Люди всегда черпают вдохновение из природы. Способность летучих мышей ориентироваться с помощью эха привела к созданию технологии сонара, которая определяет объекты с помощью звука.

Гупта сказал, что понимание того, как клетки, образующие узоры, собираются вместе, может помочь инженерам создавать синтетические материалы, которые могут менять цвет в зависимости от окружающей среды, подобно коже хамелеона. Это также может помочь разработать эффективные подходы к доставке лекарств в определённую часть тела.

«Мы черпаем вдохновение из несовершенной красоты природной системы и надеемся использовать эти несовершенства для создания новых видов функциональности в будущем», — сказал Гупта.

Предоставлено:
Университет Колорадо в Боулдере.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте