Сотрудники Университета Колорадо доказали, что тот же физический процесс, который позволяет удалять грязь с белья, может сыграть роль в том, как тропические рыбы получают свои разноцветные полосы и пятна. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
В 1952 году, еще до того, как биологи открыли структуру двойной спирали ДНК, математик Алан Тьюринг озвучил смелую теорию о том, как животные получают свои узоры. Он предположил, что по мере развития тканей они производят химические вещества, которые проникают через кожный или шерстяной покров, подобно добавлению молока в кофе.
Некоторые из этих реагентов взаимодействуют друг с другом, образуя пятна. Другие же тормозят распространение и реакцию возбудителей, образуя пространство между пятнами. Мысль о том, что теория Тьюринга может оказаться правдивой пришла в голову автору исследования Анкура Гупты, когда он увидел рыбку семейства кузовковых. Ее замысловатый узор представлял собой фиолетовые точки, окруженные желтыми шестиугольниками с толстым черным слоем между ними.
Гупта посчитал, что одна только теория Тьюринга не сможет объяснить резкие очертания этих многоугольников. Тогда исследователи задумались о том, какой процесс играет роль в формировании этих природных закономерностей. Результаты экспериментов показали, что это диффузиофорез — движение частиц, вызываемое градиентом концентрации компонентов газовой смеси. Данное явление отчетливо проявляется в процессах испарения и конденсации, и в обычной жизни мы наблюдаем за ним при отстирывании пятен с белой ткани.
Это связано с тем, что когда мыло проникает 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 исследователи в своих моделях, всегда следует четкой траектории и порождает узоры с резкими очертаниями.
Чтобы проверить, работает ли это и при проявлении естественных пятен и полос, авторы работы смоделировали пурпурно-черный шестиугольный узор, 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 вещества смешиваются через ткани, как описал Тьюринг, они также увлекают за собой клетки, производящие пигмент, посредством диффузиофореза — точно так же, как мыло вытягивает грязь из белья. Именно эти пигментные клетки образуют пятна и полосы с гораздо более четким контуром.
Гупта надеется, что их исследование сможет улучшить понимание формирования закономерностей, вдохновив ученых на разработку инновационных материалов и даже лекарств. «Наша работа имеет потенциал для применения не только в области инженерии и материаловедения, но также открывает возможность исследовать роль диффузиофореза в биологических процессах, таких как как формирование эмбриона и образование опухоли», — отметил ученый.
Недавно ученые выяснили, зачем зебрам полосатая окраска. Оказалось, что она защищает от насекомых.
Олеся Маевская
