Как животные получают полоски и пятна
Природа полна узоров — от пятен леопарда до полос зебры и шестиугольников кузовков. Однако полное объяснение механизма их формирования оставалось неуловимым.
Инженеры из Университета Колорадо в Боулдере показали, что тот же физический процесс, который помогает удалять грязь при стирке, может играть роль в формировании красочных полос и пятен у тропических рыб. Результаты опубликованы 8 ноября в журнале Science Advances.
Многие биологические вопросы сводятся к одному: как организмы развивают сложные узоры и формы, начиная со сферического комка клеток. Наша работа использует простой физико-химический механизм для объяснения сложного биологического явления.
Биологи ранее показали, что многие животные эволюционно развили узоры для маскировки или привлечения партнёров. Хотя гены кодируют информацию о паттерне (например, цвет пятен леопарда), одна только генетика не объясняет, где именно разовьются пятна.
Ещё в 1952 году математик Алан Тьюринг предложил смелую теорию формирования узоров у животных. Он предположил, что в развивающихся тканях вырабатываются химические агенты, которые диффундируют (распространяются). Некоторые агенты реагируют друг с другом, образуя пятна, другие — ингибируют распространение и реакцию, создавая промежутки. Эта простая модель реакции-диффузии, по мнению Тьюринга, могла объяснить основы биологического паттерногенеза.
Однако диффузия сама по себе не даёт чётких узоров — как молоко в кофе, она создаёт размытые очертания. Наблюдая в аквариуме чёткий шестиугольный узор кузовка (пурпурная точка в жёлтом шестиугольнике с чёрными промежутками), исследователи предположили, что теория Тьюринга не объясняет таких резких границ.
Возникло предположение, что ключевую роль может играть процесс диффузиофореза. Это движение молекул в жидкости в ответ на изменение концентраций, которое ускоряет движение других молекул в той же среде. Именно так отстирывается грязь: при полоскании в чистой воде мыло, диффундирующее из ткани, увлекает за собой частицы грязи.
В симуляциях движение молекул при диффузиофорезе всегда следует чёткой траектории и создаёт узоры с резкими границами.
Команда смоделировала пурпурно-чёрный шестиугольный узор кожи кузовка, используя только уравнения Тьюринга. Результат — размытые пурпурные точки со слабым чёрным контуром. Затем уравнения модифицировали, включив диффузиофорез. Результат стал гораздо больше похож на яркий и чёткий двухцветный узор рыбы.
Теория предполагает, что когда химические агенты диффундируют в ткани, как описал Тьюринг, они также увлекают за собой клетки, производящие пигмент, посредством диффузиофореза — подобно тому, как мыло вытягивает грязь. Эти пигментные клетки формируют пятна и полосы с гораздо более чёткими очертаниями.
Эта работа подчёркивает, что роль диффузиофореза в формировании паттернов, возможно, недооценивалась. Открытие не только имеет потенциал для применения в инженерии и материаловедении, но и открывает возможности для исследования роли диффузиофореза в таких биологических процессах, как формирование эмбриона и опухолей.