Как животные получают свои пятна и почему они неидеальны
Новое исследование учёных из CU Boulder уточнило теорию формирования узоров у животных и позволило воссоздать несовершенства природных рисунков, такие как неровные пятна леопарда. Новый механизм, описанный в журнале Matter, может привести к созданию материалов, реагирующих на окружающую среду, например, тканей для камуфляжа, меняющих цвет по требованию.
«Несовершенства повсюду в природе», — говорит ведущий исследователь Анкур Гупта. — «Мы предложили простую идею, объясняющую, как клетки собираются вместе, создавая эти вариации».
В 1952 году математик Алан Тьюринг предположил, что в развивающейся ткани образуются химические агенты, которые диффундируют в системе. Одни активируют клетки, производящие пигмент (образуя пятна), другие — ингибируют их (создавая промежутки). Однако компьютерные симуляции на основе теории Тьюринга давали размытые пятна.
В 2023 году Гупта и его коллеги усовершенствовали теорию, добавив механизм диффузиофореза — процесса, при котором диффундирующие частицы увлекают за собой другие частицы. Это тот же принцип, что помогает при стирке: мыло, диффундируя из ткани в воду, увлекает за собой грязь.
Симуляция пурпурно-чёрного шестиугольного узора на теле украшенной кузовковой рыбы показала, что диффузиофорез создаёт более чёткие контуры, чем исходная модель Тьюринга. Но результаты были слишком идеальными: все шестиугольники были одинаковыми.
В природе узоры неидеальны: полосы зебры разной толщины, а шестиугольники на рыбе не бывают абсолютно однородными. Чтобы исправить это, команда Гупты доработала модель, наделив отдельные клетки определёнными размерами и смоделировав их движение в ткани.
Представьте шарики для пинг-понга разного размера, движущиеся по трубке. Крупные шарики создают более толстые контуры, чем мелкие. Когда более крупные клетки собираются вместе, они формируют более широкие узоры. Иногда шарики сталкиваются и «закупоривают» трубку, разрывая сплошную линию. Когда это происходит с клетками, в полосах появляются разрывы.
«Мы смогли воспроизвести эти несовершенства и текстуры, просто задав клеткам размер», — пояснил Гупта. Их симуляции показали разрывы и зернистые текстуры, которые выглядят гораздо более естественно.
В будущем Гупта планирует включить в модель более сложные взаимодействия между клетками и фоновыми химическими агентами.
Понимание того, как собираются клетки, создающие узор, может помочь инженерам в разработке синтетических материалов, меняющих цвет в зависимости от окружения (как кожа хамелеона), а также в создании эффективных методов доставки лекарств к конкретным частям тела.
«Мы черпаем вдохновение в несовершенной красоте природных систем и надеемся в будущем использовать эти несовершенства для создания новых функций», — заключил Гупта.