Візерунки на шкірі тварин, такі як смуги зебри та кольорові плями отруйної жаби, виконують різні біологічні функції, включаючи регулювання температури , маскування та попереджувальні сигнали .
Кольори, що утворюють ці візерунки, мають бути чіткими та добре розділеними, щоб бути ефективними. Наприклад, як попереджувальний сигнал, чіткі кольори роблять їх чітко видимими для інших тварин. І як камуфляж, добре розподілені кольори дозволяють тваринам краще зливатися з навколишнім середовищем.
У нашому нещодавно опублікованому дослідженні в Science Advances ми з моїм студентом Беном Алессіо пропонуємо потенційний механізм, що пояснює, як формуються ці характерні візерунки, які потенційно можна застосувати до медичної діагностики та синтетичних матеріалів.
Мистецький експеримент може допомогти візуалізувати складність досягнення характерних колірних візерунків. Уявіть, що ви обережно додаєте краплю синього та червоного барвників у чашку з водою.
Краплі повільно розсіюються по воді завдяки процесу дифузії , коли молекули переміщуються з області вищої концентрації до нижчої концентрації. Згодом вода матиме рівномірну концентрацію синього та червоного барвників і стане фіолетовою. Таким чином, дифузія прагне створити однорідність кольору.
Природно виникає питання: як можуть утворюватися чіткі кольорові візерунки за наявності дифузії?
Рух і межі
Математик Алан Тюрінг вперше звернувся до цього питання у своїй фундаментальній статті 1952 року « Хімічна основа морфогенезу ». Тьюрінг показав, що за відповідних умов хімічні реакції, пов’язані з утворенням кольору, можуть взаємодіяти одна з одною таким чином, що протидіє дифузії.
Це дає змогу кольорам самоорганізовуватися та створювати взаємопов’язані області з різними кольорами, утворюючи те, що зараз називають візерунками Тьюринга.
Однак у математичних моделях межі між областями кольорів є нечіткими через дифузію. Це не так, як у природі, де межі часто різкі, а кольори добре розділені.
Наша команда вважала, що ключ до з’ясування того, як тварини створюють характерні кольорові візерунки, можна знайти в лабораторних експериментах на частинках мікронного розміру, таких як клітини, які беруть участь у створенні кольорів шкіри тварин.
Моя робота та робота в інших лабораторіях виявили, що частинки мікронного розміру утворюють смугасті структури , якщо їх помістити між областю з високою концентрацією інших розчинених речовин і областю з низькою концентрацією інших розчинених речовин.
(Річард Сір/Wikimedia Commons , CC BY-SA)
У контексті нашого уявного експерименту зміни в концентрації синього та червоного барвників у воді можуть спонукати інші частинки в рідині рухатися в певних напрямках. Коли червоний барвник переміщується в область, де його концентрація нижча, сусідні частинки переносяться разом з ним. Це явище називається дифузіофорезом .
Ви отримуєте користь від дифузіофорезу щоразу, коли перете з білизною : частинки бруду віддаляються від вашого одягу, коли молекули мила дифундують із вашої сорочки у воду.
Малювання різких меж
Нам було цікаво, чи можуть схеми Тьюринга, що складаються з областей різниці концентрацій, також рухати частинки мікронного розміру. Якщо так, чи будуть візерунки, отримані від цих частинок, чіткими, а не нечіткими?
Щоб відповісти на це запитання, ми провели комп’ютерне моделювання візерунків Тьюринга, включаючи шестикутники, смуги та подвійні плями, і виявили, що дифузіофорез робить отримані візерунки значно більш виразними в усіх випадках.
Ці симуляції дифузіофорезу змогли відтворити складні візерунки на шкірі вишуканого самшита та мурени, що неможливо зробити лише за допомогою теорії Тюрінга.
Ще більше підтверджуючи нашу гіпотезу, наша модель змогла відтворити результати лабораторного дослідження того, як бактерія E. coli переміщує молекулярний вантаж усередині себе. Дифузіофорез призвів до більш чітких моделей рухів, підтверджуючи його роль як фізичного механізму формування біологічних моделей.
Оскільки клітини, які виробляють пігменти, що утворюють кольори шкіри тварин, також мають мікронні розміри, наші висновки свідчать про те, що дифузіофорез може відігравати ключову роль у створенні характерних колірних візерунків у ширшій природі.
Вивчення хитрощів природи
Розуміння того, як природа програмує певні функції, може допомогти дослідникам розробити синтетичні системи, які виконують подібні завдання.
Лабораторні експерименти показали, що вчені можуть використовувати дифузіофорез для створення безмембранних фільтрів для води та недорогих засобів розробки ліків .
Наша робота припускає, що поєднання умов, які формують візерунки Тьюринга, з дифузіофоресом також може стати основою для штучних шкірних плям. Подібно до адаптивних моделей шкіри у тварин, коли візерунки Тьюринга змінюються – скажімо, від шестикутників до смуг – це вказує на приховані відмінності в концентраціях хімічних речовин всередині або поза тілом.
Шкірні плями, які можуть відчувати ці зміни, можуть діагностувати захворювання та контролювати стан здоров’я пацієнта, виявляючи зміни в біохімічних маркерах. Ці плями на шкірі також можуть відчувати зміни в концентрації шкідливих хімікатів у навколишньому середовищі.
Робота попереду
Наше моделювання зосереджено виключно на сферичних частинках, тоді як клітини, які створюють пігменти в шкірі, мають різні форми. Вплив форми на утворення складних візерунків залишається неясним.
Крім того, пігментні клітини рухаються в складному біологічному середовищі. Потрібні додаткові дослідження, щоб зрозуміти, як це середовище гальмує рух і потенційно застигає візерунки на місці.
Окрім візерунків шкіри тварин, візерунки Тьюринга також мають вирішальне значення для інших процесів, таких як ембріональний розвиток і утворення пухлин . Наша робота показує, що дифузіофорез може відігравати недооцінену, але важливу роль у цих природних процесах.
Вивчення того, як формуються біологічні закономірності, допоможе дослідникам зробити ще один крок ближче до імітації їхніх функцій у лабораторії – давньої спроби , яка може принести користь суспільству.
Анкур Гупта , доцент кафедри хімічної та біологічної інженерії, Університет Колорадо в Боулдері
Цю статтю перепубліковано з The Conversation . Прочитайте оригінальну статтю .
