Откуда у животных появляются полосы и пятна
В природе нет недостатка в узорах: от пятен у леопардов до полос у зебр и шестиугольников у самцов. Но полное объяснение того, как формируются эти закономерности, остается неясным.
Теперь инженеры из Университета Колорадо в Боулдере доказали, что тот же физический процесс, который помогает удалять грязь с белья, может сыграть роль в том, как тропические рыбы получают свои разноцветные полосы и пятна. Их результаты были опубликованы в журнале Science Advances.
«Многие биологические вопросы, по сути, являются одним и тем же вопросом: как организмы развивают сложные узоры и формы, когда все начинается со сферического скопления клеток», — сказал автор исследования Бенджамин Алессио. «Наша работа использует простой физический и химический механизм для объяснения сложного биологического явления».
Биологи ранее показали, что у многих животных в ходе эволюции появился рисунок шерсти, позволяющий маскироваться или привлекать партнеров. Хотя гены кодируют информацию об образце, например, о цвете пятен леопарда, сама по себе генетика не объясняет, например, где именно появятся пятна.
В 1952 году, еще до того, как биологи открыли структуру двойной спирали ДНК, Алан Тьюринг, математик, который изобрел современные вычисления, предложил смелую теорию о том, как животные получили свои структуры.
Тьюринг предположил, что по мере развития тканей они производят химические агенты. Эти агенты диффундируют через ткани, подобно добавлению молока в кофе. Некоторые из агентов реагируют друг с другом, образуя пятна. Другие тормозят распространение и реакцию возбудителей, образуя пространство между пятнами. Теория Тьюринга предполагала, что вместо сложных генетических процессов этой простой модели реакции-диффузии может быть достаточно для объяснения основ формирования биологических закономерностей.
«Конечно, механизм Тьюринга может создавать закономерности, но диффузия не дает четких закономерностей», — сказал автор исследования Анкур Гупта, доцент кафедры химической и биологической инженерии. Например, когда молоко распространяется в кофе, оно течет во всех направлениях с нечетким контуром.
Когда Алессио посетил Берч-аквариум в Сан-Диего, он был впечатлен четкостью замысловатого узора кузовка: он состоит из фиолетовой точки, окруженной отчетливым шестиугольным желтым контуром с толстым черным промежутком между ними. Он считал, что одна только теория Тьюринга не сможет объяснить резкие очертания этих шестиугольников. Но этот узор напомнил Алессио компьютерное моделирование, которое он проводил, где частицы действительно образуют четко очерченные полосы.
Алессио, член исследовательской группы Гупта, задался вопросом, играет ли процесс, известный как диффузиофорез, роль в формировании природных закономерностей.
Диффузиофорез происходит, когда молекула движется через жидкость в ответ на изменения, например, на разницу в концентрациях, и ускоряет движение других типов молекул в той же среде. Хотя это может показаться неясным для неученых, на самом деле именно так белье становится чистым.
Одно недавнее исследование показало, что полоскание пропитанной мылом одежды в чистой воде удаляет грязь быстрее, чем полоскание пропитанной мылом одежды в мыльной воде. Это связано с тем, что когда мыло диффундирует из ткани в воду с более низкой концентрацией мыла, движение молекул мыла вытягивает грязь. Когда одежду помещают в мыльную воду, отсутствие разницы в концентрации мыла приводит к тому, что грязь остается на месте.
Движение молекул во время диффузиофореза, как наблюдали Гупта и Алессио в своих моделях, всегда следует четкой траектории и порождает узоры с резкими очертаниями.
Чтобы проверить, может ли это сыграть роль в придании животным ярких узоров, Гупта и Алессио смоделировали пурпурно-черный шестиугольный узор, видимый на богато украшенной коже самцового рыбы, используя только уравнения Тьюринга. Компьютер выдал изображение размытых фиолетовых точек со слабым черным контуром. Затем команда изменила уравнения, включив в них диффузиофорез. Результат оказался гораздо больше похож на яркий и четкий двухцветный шестиугольный узор, который можно увидеть на рыбе.
Теория команды предполагает, что, когда химические агенты диффундируют через ткани, как описал Тьюринг, они также увлекают за собой клетки, производящие пигмент, посредством диффузиофореза — точно так же, как мыло вытягивает грязь из белья. Эти пигментные клетки образуют пятна и полосы с гораздо более четким контуром.
Спустя десятилетия после того, как Тьюринг предложил свою основополагающую теорию, ученые использовали этот механизм для объяснения многих других закономерностей в биологии, таких как расположение волосяных фолликулов у мышей и гребней на нёбе млекопитающих.
Гупта надеется, что их исследование и другие исследования, проводимые его исследовательской группой, также смогут улучшить понимание формирования закономерностей, вдохновив ученых на разработку инновационных материалов и даже лекарств.