Узоры на коже животных — дело физики: исследование может улучшить медицинскую диагностику и синтетические материалы
Узоры на коже животных, такие как полосы зебры или цветные пятна ядовитых лягушек, выполняют различные биологические функции: терморегуляцию, камуфляж и предупреждающие сигналы. Чтобы быть эффективными, цвета в этих узорах должны быть чёткими и хорошо разделёнными.
В нашем новом исследовании, опубликованном в Science Advances, мы с моим студентом Беном Алессио предлагаем возможный механизм, объясняющий формирование этих отчётливых узоров, который потенциально можно применить в медицинской диагностике и для создания синтетических материалов.
Проблема диффузии
Диффузия — процесс, при котором молекулы перемещаются из области с высокой концентрацией в область с низкой, — обычно ведёт к равномерному распределению и смешению цветов (как синяя и красная краска в стакане воды становятся фиолетовыми). Возникает вопрос: как в присутствии диффузии могут формироваться чёткие цветовые узоры?
От узоров Тьюринга к диффузиофорезу
В 1952 году математик Алан Тьюринг показал, что при определённых условиях химические реакции, производящие цвет, могут взаимодействовать так, что противодействуют диффузии. Это позволяет цветам самоорганизовываться в связанные области, формируя так называемые узоры Тьюринга (полосы, гексагоны, пятна). Однако в математических моделях границы между цветовыми областями остаются размытыми, в отличие от чётких границ в природе.
Ключом к разгадке может быть диффузиофорез — явление, при котором движение одних растворённых веществ (например, красителей) заставляет двигаться другие частицы в жидкости. Это тот же процесс, что удаляет частицы грязи с одежды при стирке с мылом.
Моделирование и открытие
Мы провели компьютерное моделирование узоров Тьюринга (гексагоны, полосы, двойные пятна) и обнаружили, что диффузиофорез делает результирующие узоры значительно более отчётливыми. Наши симуляции смогли воспроизвести сложные узоры на коже расписного кузовка и сетчатой мурены, что невозможно с помощью одной лишь теории Тьюринга.
Кроме того, наша модель воспроизвела результаты лабораторного исследования движения молекулярного груза внутри бактерии E. coli, где диффузиофорез также привёл к формированию более резких паттернов. Поскольку клетки, производящие пигменты кожи животных, также имеют микронные размеры, наши данные свидетельствуют, что диффузиофорез может играть ключевую роль в создании отчётливых цветовых узоров в природе.
Потенциальные применения
Понимание этого природного механизма может помочь в разработке синтетических систем. Комбинирование условий для формирования узоров Тьюринга с диффузиофорезом может лечь в основу создания искусственных кожных пластырей.
Подобно адаптивным узорам на коже животных, изменение узора Тьюринга (например, с гексагонов на полосы) может указывать на изменения химических концентраций внутри организма или во внешней среде. Такие пластыри могли бы:
- Диагностировать заболевания и отслеживать здоровье пациента, обнаруживая изменения биохимических маркеров.
- Чувствовать изменения концентрации вредных химических веществ в окружающей среде.
Будущая работа
- Наши симуляции рассматривали только сферические частицы, в то время как пигментные клетки имеют разную форму. Влияние формы на формирование сложных узоров пока неясно.
- Пигментные клетки движутся в сложной биологической среде. Требуются дополнительные исследования, чтобы понять, как эта среда влияет на движение и фиксирует узоры.
Помимо кожных узоров, узоры Тьюринга важны для других процессов, таких как эмбриональное развитие и формирование опухолей. Наша работа предполагает, что диффузиофорез может играть недооценённую, но важную роль и в этих природных процессах.