Вчені з Університету Колорадо в Боулдері (UC Boulder) зробили значний крок у розумінні того, як формуються химерні візерунки – плями та смуги – на тілах тварин. Їхнє нове дослідження не лише проливає світло на механізми природи, а й пояснює, чому ці візерунки, хоч і симетричні, завжди мають свої унікальні, чарівні недосконалості.
Це проривне відкриття може відкрити двері для розробки нових матеріалів, здатних реагувати на довкілля та змінювати свій колір на вимогу, що звучить як наукова фантастика, але вже є перспективою сьогодення.
Дослідники з Університету Колорадо в Боулдері, відомого своїми передовими науковими розробками, зуміли поєднати складні математичні моделі з біологічними процесами. Вони перетворили елегантну фізичну симуляцію своєї теорії формування тваринних візерунків на модель, яка реально пояснює, як ці чіткі, але водночас недосконалі малюнки виникають у живому світі.
Провідний дослідник, Анкур Гупта з Департаменту хімічної та біологічної інженерії UC Boulder, підкреслює: «Недосконалості є повсюди в природі. Ми запропонували просту ідею, яка може пояснити, як клітини збираються, щоб створювати ці варіації».
How do animals form imperfect patterns
https://www.youtube.com/watch?v=-vo9D_2yVY0
Від теорії Алана Тюрінга до реального світу
У 2023 році ці ж вчені вже представили теорію про формування тваринних візерунків. Тоді це було переважно теоретичне та обчислювальне досягнення, що ґрунтувалося на моделі реакції-дифузії, розробленій Аланом Тюрінгом у 1950-х роках.
Алан Тюрінг – видатний британський математик, логік та криптограф, якого вважають одним із батьків сучасної інформатики. Його модель реакції-дифузії математично пояснює, як взаємодія та поширення хімічних речовин можуть призводити до утворення візерунків, таких як смуги чи плями. Вона стала фундаментальним інструментом для розуміння морфогенезу – процесу розвитку форми та структури біологічних організмів.
До моделі Тюрінга дослідники з Колорадо додали новий фізичний процес – дифузіофорез. Це явище, при якому частинки або клітини «захоплюються» та переміщуються градієнтами концентрації речовин.
Завдяки дифузіофорезу модель дозволяла отримати чіткі краї візерунків – наприклад, ті, що спостерігаються у тропічних риб або змій, – на відміну від розмитих ліній, які передбачали лише рівняння Тюрінга. Однак модель 2023 року була по суті фізичною симуляцією; вона не враховувала, як поводяться або взаємодіють реальні живі тканини чи пігментні клітини, і чому природні візерунки не є абсолютно ідеальними.
Подолання меж ідеальності
Минуло два роки, і дослідники вдосконалили свою модель, щоб вона краще відображала реальне утворення візерунків. Початкові результати давали форми, що були занадто ідеальними – те, чого насправді рідко можна побачити в природі.
Удосконалюючи свою модель дифузіофорезу, вчені надали окремим клітинам певні розміри, а потім змоделювали, як кожна з них рухається крізь тканину. Ці симуляції почали створювати саме такі недосконалі візерунки, які точніше відображають живий світ.
Нова робота, по суті, взяла цю фізичну модель дифузіофорезу і додала до неї біологічні обмеження. Наприклад, пігментні клітини – відомі як хроматофори, що особливо яскраво виражені у головоногих молюсків, таких як восьминоги та каракатиці, а також у деяких риб і рептилій, – не стоять на місці. Вони рухаються, діляться і реагують на градієнти концентрації речовин.
Модель також враховує нерівномірну фізіологію, оскільки реальні тіла тварин не є пласкими поверхнями. Кожна кривизна та складка впливають на те, як формуються хімічні градієнти, і як рівномірний візерунок може перетворитися на асиметричний. Ці сукупні фізичні процеси – клітинна дифузія, дрейф та рух – виробляють незначні відхилення, або ж ті «прекрасні недосконалості», на які вказують дослідники у своїй науковій праці.
«Ми здатні відтворити ці недосконалості та текстури, просто надавши цим клітинам розмір», – зазначив Гупта.
Натхнення для майбутнього
Останні комп’ютерні симуляції пропонують нове пояснення, чому візерунки природи є водночас впорядкованими та прекрасно недосконалими. Ці висновки можуть змінити уявлення вчених про біологічне формування візерунків і навіть стати джерелом натхнення для розробки майбутніх біоматеріалів та дизайну інтелектуальних поверхонь.
Дослідники тепер сподіваються включити складніші взаємодії між клітинами та хімічними агентами, щоб ще більше покращити симуляції.
«Ми черпаємо натхнення з недосконалої краси природних систем і сподіваємося використати ці недосконалості для створення нових видів функціональності в майбутньому», – додав Гупта.
Дослідження було опубліковано в престижному науковому журналі Matter.
