Объяснить, как образуются полосы на зебрах, помогла теория Алана Тьюринга
Инженеры из Университета Колорадо в Боулдере показали, что тот же физический процесс, который помогает удалять грязь с белья, может играть определяющую роль в том, как тропические рыбы получают свои разноцветные полоски и пятна.
«Многие биологические вопросы в своей основе сводятся к одному и тому же: как организмы развивают свои сложные узоры и формы, если все начинается со сферического комка клеток», — говорит Бенджамин Алессио, первый автор работы. — «Мы использовали простой физико-химический механизм для объяснения этого сложного биологического явления».
Биологи ранее показали, что многие животные эволюционировали так, чтобы у них возникли узоры на шерсти для мимикрии или наоборот для привлечения внимания. Хотя гены кодируют информацию об узоре, например, о цвете пятен леопарда, генетика сама по себе не объясняет, где именно будут развиваться пятна.
Идеи Алана Тьюринга
В 1952 году, еще до того, как биологи открыли структуру ДНК, Алан Тьюринг, великий математик и один из изобретателей современных вычислительных машин, предложил смелую теорию того, как животные получают свои узоры.
Тьюринг предположил, что при развитии тканей в них выделяются особые химические вещества. Эти вещества распространяются по тканям таким же образом, как молоко распространяется в кофе. Некоторые из этих веществ реагируют друг с другом, образуя пятна. Другие препятствуют распространению и реакции агентов, образуя пространство между пятнами. Теория Тьюринга предполагала, что вместо сложных генетических процессов для объяснения основ формирования узоров может быть достаточно этой простой реакционно-диффузионной модели.
«Конечно, механизм Тьюринга может создавать паттерны, но только диффузия четких паттернов не дает», — говорит соавтор статьи Анкур Гупта, — «Когда молоко диффундирует в кофе, оно растекается во всех направлениях и рисунок имеет нечеткие контурами».
Когда Бенджамин Алессио посетил аквариум Birch в Сан-Диего, он был поражен четкостью замысловатого узора бокоплава: Он состоит из фиолетовой точки, окруженной четким шестиугольным желтым контуром с толстым черным промежутком между ними. Теория Тьюринга не смогла бы объяснить резкие очертания этих шестиугольников. Этот узор напомнил Алессио о проводимых им компьютерных симуляциях, в которых частицы действительно образуют резко очерченные полосы. Это процесс называется диффузиофорез.
Диффузиофорез происходит, когда молекула перемещается в жидкости в ответ на изменения, например, на разницу концентраций, и ускоряет движение других типов молекул в той же среде. 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 пропитанной мылом одежды в мыльной воде. Это объясняется тем, что в первом случае мыло диффундирует из ткани в воду с меньшей концентрацией мыла, и движение молекул мыла вытягивает грязь. Когда же одежду помещают в мыльную воду, то из-за отсутствия разницы в концентрации мыла грязь остается на месте.
Движение молекул при диффузиофорезе, как заметили Гупта и Алессио в ходе моделирования, всегда происходит по четкой траектории и приводит к появлению узоров с четкими контурами.
Чтобы проверить, может ли этот процесс играть роль в придании животным ярких узоров, Гупта и Алессио провели моделирование фиолетово-черного шестиугольного узора, наблюдаемого на нарядной коже самшита, используя только уравнения Тьюринга. Компьютер выдал изображение размытых фиолетовых точек с тусклым черным контуром. Затем команда модифицировала уравнения с учетом диффузиофореза. Результат оказался гораздо более похожим на яркий и четкий двухцветный гексагональный рисунок, наблюдаемый на рыбе.
Теория команды предполагает, что когда химические агенты диффундируют через ткани, как описал Тьюринг, они также увлекают за собой клетки, вырабатывающие пигмент, посредством диффузиофореза — подобно тому, как мыло вытягивает грязь из белья. Эти пигментные клетки образуют пятна и полосы с гораздо более четкими контурами.
Спустя десятилетия после того, как Тьюринг предложил свою основополагающую теорию, ученые использовали этот механизм для объяснения многих других закономерностей в биологии, таких как расположение волосяных фолликулов у мышей и гребни на крыше рта млекопитающих. Теперь теория Тьюринга пригодилась и для объяснения узоров, но ее пришлось несколько уточнить.
Гупта надеется, что их исследование и другие работы, проводимые его исследовательской группой, также улучшат понимание формирования узоров и вдохновят ученых на разработку инновационных материалов и даже лекарств.
«Эта работа не только имеет потенциал для применения в области машиностроения и материаловедения, но и открывает возможности для изучения роли диффузиофореза в биологических процессах, таких как формирование эмбрионов и образование опухолей», — говорит Гупта.