Ученые выяснили, как образуются сложные и яркие узоры на коже животных: что это даст нам на практике

Узоры на коже животных – полосы зебры или цветные пятна ядовитой лягушки, выполняют различные биологические функции, включая терморегуляцию, камуфляж и предупреждение. Их эффективность зависит от четкого разделения цветов, механизм получения которого был до конца неясен.

"В новом исследовании, – сообщает Popular Science – опубликованном в журнале Science Advances, группа исследователей предложила потенциальный механизм, образования узоров. Ученые объяснили, что решение вопроса может улучшить результаты медицинской диагностики и повысит качество синтетических материалов".

В чем суть проблемы?

Мысленный эксперимент поможет наглядно представить проблему получения характерных цветовых узоров. Представьте, что вы осторожно добавляете по капле синего и красного красителя в чашку с водой. Капли будут медленно рассеиваться по воде благодаря процессу диффузии, когда молекулы перемещаются из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией. В конце концов, в жидкости образуется равномерная концентрация синего и красного красителей, и она станет фиолетовой. Так, диффузия способствует созданию однородности цвета.

Видео дня

Движение и границы

Математик Алан Тьюринг впервые обратился к этому вопросу в работе 1952 г. "Химические основы морфогенеза". Тьюринг показал, что при соответствующих условиях химические реакции, участвующие в создании цвета, могут взаимодействовать друг с другом так, что противодействуют диффузии. Это позволяет цветам самоорганизовываться и создавать взаимосвязанные области с другими цветами, образуя то, что сейчас называется "паттернами Тьюринга".

Однако в математических моделях границы между цветовыми областями нечеткие из-за диффузии. В отличие от природы, где границы резкие, а цвета хорошо разделены.

В наше время ученые, занимавшиеся решением этой проблемы, пришли к выводу, что ключ к разгадке появления характерных цветовых узоров, можно найти в лабораторных экспериментах с частицами микронного размера – клетками, участвующими в создании цвета кожи животного.

В результате эксперименты показали, что эти клетки образуют полосчатые структуры, когда их помещают между областью с высокой концентрацией других растворенных веществ и областью с низкой концентрацией других растворенных веществ.

Что такое диффузиофорез и где мы с ним часто сталкиваемся?

В контексте нашего мысленного эксперимента изменение концентрации синего и красного красителей в воде может заставить другие частицы в жидкости двигаться в определенных направлениях. Когда красный краситель перемещается в область, где его концентрация ниже, близлежащие частицы будут перемещаться вместе с ним. Это явление называется диффузиофорезом.

Кстати, на практике мы сталкиваемся с диффузиофорезом, когда стираем белье. Благодаря этому свойству материи, частицы грязи удаляются с одежды по мере того, как молекулы мыла "транспортируются" из рубашки в воду.

Проведение резких границ

По ходу экспериментов, ученые задались вопросом, могут ли паттерны Тьюринга, состоящие из областей с разной концентрацией, также перемещать частицы микронного размера. Если да, то будут ли получаемые узоры из этих частиц четкими, а не размытыми?

Чтобы ответить на этот вопрос, они провели компьютерное моделирование узоров Тьюринга – шестиугольников, полос и двойных пятен, и обнаружили, что диффузиофорез делает получаемые узоры значительно более отчетливыми во всех случаях.

Моделирование диффузиофореза позволило воспроизвести сложные узоры на коже ярко разукрашенной рыбы-кузовка и мурены-жемчужницы, что невозможно только с помощью теории Тьюринга.

Еще одним подтверждением их гипотезы стало то, что созданная модель смогла воспроизвести результаты лабораторного исследования того, как бактерия E.coli перемещает молекулярный груз внутри себя. Диффузиофорез позволил получить более четкие схемы перемещения, что подтверждает его роль в качестве физического механизма, лежащего в основе формирования биологических моделей.

Поскольку клетки, производящие пигменты, из которых складывается цвет кожи животных, также имеют микронные размеры, полученные результаты позволяют предположить, что диффузиофорез может играть ключевую роль в создании характерных цветовых узоров в более широком смысле в природе.

Изучаем хитрости природы

Понимание того, как природа программирует определенные функции, может помочь исследователям разработать синтетические системы, выполняющие аналогичные задачи.

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

Результаты работы также указывают, что сочетание условий, формирующих паттерны Тьюринга, с диффузиофорезом, может стать основой для создания искусственной кожи. Точно так же, как адаптивные узоры кожи у животных, когда узоры Тьюринга меняются – скажем, от шестиугольников к полосам – это указывает на основные различия в химических концентрациях внутри и снаружи тела.

Кожные пластыри, способные чувствовать эти изменения, могли бы диагностировать медицинское состояние и следить за здоровьем пациента, обнаруживая изменения в биохимических маркерах. Они также могут определять изменения концентрации вредных химических веществ в окружающей среде.

Что предстоит узнать в ближайшем будущем?

Ученые моделировали исключительно сферические частицы, в то время как клетки, создающие пигменты в коже, имеют различную форму. На сегодня ее влияние на формирование сложных узоров остается пока неясным. Это задача ближайшего будущего.

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

Помимо кожных узоров животных, паттерны Тьюринга играют важную роль и в других процессах, таких как эмбриональное развитие и образование опухолей. Проделанная работа позволяет предположить, что диффузиофорез может играть недооцененную, но важную роль в этих природных процессах.

В конечном итоге, изучение процесса формирования биологических узоров, поможет исследователям еще на один шаг приблизиться к имитации их функций в лабораторных условиях, что, однозначно, принесет пользу обществу.