Природа создает множество узоров – от пятен на леопардах до полос на зебрах. Однако подробное объяснение того, как формируются эти рисунки, до сих пор не найдено. Ученые из Колорадского университета в Боулдере (The University of Colorado Boulder) показали, что тот же физический процесс, который помогает удалять грязь с белья, может играть роль в том, как тропические рыбы получают свои разноцветные полосы и пятна. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
«Многие биологические вопросы сводятся к одному: как организмы развивают сложные узоры и формы, если все начинается со сферического скопления клеток», – спрашивает Бенджамин Алессио (Benjamin Alessio), автор статьи. «Мы обнаружили простой физико-химический механизм для объяснения сложного природного явления».
Биологи ранее установили, что многие животные эволюционировали так, чтобы иметь узор для маскировки или привлечения себе подобных. Хотя гены кодируют информацию об окрасе, например, о цвете пятен леопарда, генетика не объясняет, где именно они будут располагаться.
В 1952 году, еще до того, как биологи открыли структуру двойной спирали ДНК, Алан Тьюринг, математик, изобретатель современных вычислительных машин, предложил смелую теорию происхождения узоров у животных.
Ученый предположил, что по мере развития тканей вырабатываются химические вещества, которые с помощью диффузии проникают в ткани в процессе, подобном добавлению молока в кофе. Некоторые из веществ вступают в реакцию друг с другом, образуя пятна, другие препятствуют их распространению, оставляя пространство между узорами. Теория Тьюринга позволила задуматься о том, что вместо сложных генетических процессов для объяснения формирования биологических образов может быть достаточно простой реакционно-диффузионной модели.
«Конечно, механизм Тьюринга может создавать паттерны, но диффузия не дает четких рисунков. Например, когда молоко диффундирует в кофе, оно течет во всех направлениях с нечеткими контурами», – поясняет автор статьи Анкур Гупта (Ankur Gupta), доцент кафедры химической и биологической инженерии.
Ученые предположили, что в этих процессах роль играет диффузиофорез. Он происходит, когда молекула перемещается в жидкости в ответ на какие-либо изменения среды, например, на разницу концентраций вещества, и ускоряет движение других типов молекул в той же среде. Хотя для неспециалистов это может показаться непонятным, на самом деле именно так белье становится чистым при стирке.
Одно из недавних исследований показало, что полоскание пропитанной мылом одежды в чистой воде удаляет грязь быстрее, чем полоскание такой одежды в мыльном растворе. Это объясняется тем, что когда мыло проникает из ткани в воду с меньшей концентрацией порошка, движение мыльных молекул вытягивает грязь. Когда же одежду помещают в воду с чистящим средством, то из-за отсутствия разницы в концентрации грязь остается на месте.
Движение молекул при диффузиофорезе всегда происходит по определенной траектории и приводит к появлению узоров с четкими контурами. Команда ученых предполагает, что когда химические агенты диффундируют через ткани, как это описал Тьюринг, они также увлекают за собой пигментные клетки посредством диффузиофореза, подобно тому, как мыло вытягивает грязь из белья. Эти клетки образуют пятна и полосы с гораздо более четкими контурами.
Спустя десятилетия после того, как Тьюринг предложил свою теорию, ученые использовали ее для объяснения многих других закономерностей в биологии, таких как расположение волосяных фолликулов у мышей и выступов на небе рта млекопитающих.
Авторы работы надеются, что исследование улучшит понимание формирования паттернов и вдохновит ученых на разработку инновационных материалов и даже лекарств.
«Наши результаты подчеркивают, что диффузиофорез был недооценен в области формирования узоров. Эта работа имеет потенциал для применения в области машиностроения и материаловедения, а также открывает возможности для изучения роли диффузиофореза в биологических процессах, таких как формирование эмбрионов и образование опухолей», – заявляют авторы работы.
[Фото: The Birch Aquarium/ Scripps Institution of Oceanography, Benjamin Alessio/University of Colorado Boulder]
