RW Space

Узоры на коже животных, такие как полосы зебры и цветные пятна ядовитых лягушек, выполняют различные биологические функции, включая регулирование температуры, маскировку и подачу предупреждающих сигналов.

Цвета, составляющие эти узоры, должны быть четкими и хорошо разделены, чтобы быть эффективными. Например, в качестве предупреждающего сигнала разные цвета делают их хорошо видимыми для других животных. А четкое разделение цветов позволяет животным лучше сливаться с окружающей средой.

В нашем недавно опубликованном исследовании в Science Advances мы с моим студентом Беном Алессио предлагаем потенциальный механизм объясняя, как формируются эти отличительные узоры, — это потенциально может быть применено к медицинской диагностике и синтетическим материалам.

Мысленный эксперимент может помочь визуализировать проблему получения отличительных цветовых узоров. Представьте, что вы осторожно добавляете каплю синего и красного красителя в чашку с водой.

Капли будут медленно рассеиваться по воде благодаря процессу диффузии, при котором молекулы перемещаются из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. . Со временем вода будет иметь равномерную концентрацию синего и красного красителей и станет фиолетовой. Таким образом, диффузия имеет тенденцию создавать однородность цвета.

Естественно возникает вопрос: как могут образовываться различные цветовые узоры при наличии диффузии?

Движение и границы

Математик Алан Тьюринг впервые затронул этот вопрос в своей основополагающей статье 1952 года «Химическая основа морфогенеза». Тьюринг показал, что при соответствующих условиях химические реакции, участвующие в образовании цвета, могут взаимодействовать друг с другом таким образом, что противодействует диффузии.

Это позволяет цветам самоорганизовываться и создавать взаимосвязанные области разных цветов. , образуя то, что сейчас называется шаблонами Тьюринга.

Однако в математических моделях границы между цветовыми областями размыты из-за диффузии. Это не похоже на природу, где границы часто резкие, а цвета хорошо разделены.

Наша команда подумала, что ключ к пониманию того, как животные создают характерные цветовые узоры, можно найти в лабораторных экспериментах с частицами микронного размера. например, клетки, участвующие в создании цвета кожи животного.

Моя работа и работа других лабораторий показали, что частицы микронного размера образуют полосчатые структуры, когда их помещают между областями с высокой концентрацией других растворенных веществ. и область с низкой концентрацией других растворенных веществ.

В контексте нашего мысленного эксперимента изменения концентрации синего цвета а красные красители в воде могут побуждать другие частицы жидкости двигаться в определенных направлениях. Когда красный краситель перемещается в область, где его концентрация ниже, близлежащие частицы будут уноситься вместе с ним. Это явление называется диффузиофорезом.

Вы получаете пользу от диффузиофореза всякий раз, когда стираете: частицы грязи удаляются с вашей одежды, а молекулы мыла диффундируют из вашей рубашки в воду.

Проведение четких границ

Мы задавались вопросом, могут ли модели Тьюринга, состоящие из областей с разной концентрацией, также перемещать частицы микронного размера. Если да, то будут ли полученные узоры из этих частиц четкими, а не размытыми?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели компьютерное моделирование узоров Тьюринга, включая шестиугольники, полосы и двойные пятна, и обнаружили, что диффузиофорез позволяет результирующие узоры во всех случаях значительно более различимы.

Эти симуляции диффузиофореза смогли воспроизвести сложные узоры на коже богато украшенного самцового рыбы и ювелирной мурены, что невозможно только с помощью теории Тьюринга.

p>

Подтверждая нашу гипотезу, наша модель смогла воспроизвести результаты лабораторного исследования того, как бактерия E. coli перемещает молекулярный груз внутри себя. Диффузиофорез привел к более четкому паттерну движения, подтвердив его роль как физического механизма формирования биологических паттернов.

Поскольку клетки, вырабатывающие пигменты, составляющие цвет кожи животного, также имеют микронный размер, наши результаты предполагают, что диффузиофорез может играть ключевую роль в создании отличительных цветовых узоров в природе.

Изучение трюков природы

Понимание того, как природа программирует определенные функции, может помочь исследователям создавать синтетические системы, которые выполняют аналогичные функции.

Лабораторные эксперименты показали, что ученые могут использовать диффузиофорез для создания безмембранных фильтров для воды и недорогих инструментов для разработки лекарств.

Наша работа предполагает, что сочетание условий, формирующих паттерны Тьюринга, с диффузиофорез также может лечь в основу искусственных кожных пластырей. Точно так же, как адаптивный рисунок кожи у животных, когда узоры Тьюринга меняются – скажем, от шестиугольников к полосам – это указывает на основные различия в химических концентрациях внутри и снаружи тела.

Участки кожи, которые могут чувствовать эти изменения, могут диагностировать заболевания. и следить за здоровьем пациента, обнаруживая изменения биохимических маркеров. Эти участки кожи также могут ощущать изменения концентрации вредных химических веществ в окружающей среде.

Предстоящая работа

Наши симуляции были сосредоточены исключительно на сферических частицах, а клетки, которые создают пигменты в коже бывают разных форм. Влияние формы на формирование сложных узоров остается неясным.

Кроме того, пигментные клетки перемещаются в сложной биологической среде. Необходимы дополнительные исследования, чтобы понять, как эта среда препятствует движению и потенциально замораживает структуры на месте.

Помимо моделей кожи животных, модели Тьюринга также имеют решающее значение для других процессов, таких как эмбриональное развитие и образование опухолей. Наша работа предполагает, что диффузиофорез может играть недооцененную, но важную роль в этих естественных процессах.

Изучение того, как формируются биологические закономерности, поможет исследователям приблизиться на шаг ближе к имитации их функций в лаборатории – давнему начинанию, которое может принести пользу обществу.

Анкур Гупта, доцент кафедры химии и биологии Инженерное дело, Университет Колорадо в Боулдере

Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.