Почему у животных есть пятна и полосы?
Мех и чешуя представителей животного мира отнюдь не скучны и полны диких цветов и узоров. Эти математически выверенные рисунки, такие как леопардовые пятна и тигровые полосы, столь же интересны, сколь и замысловаты. Но как животные получили свои пятна, полоски и все, что между ними? Этот вопрос десятилетиями ставил в тупик ученых и математиков, но одна группа ученых, возможно, ближе к ответу.
Головоломка, которую не смог разгадать даже известный взломщик кодов
Вверху: самец декоративной рыбы-самшита. Внизу: Имитация шестиугольных и полосатых узоров, полученных путем диффузиофоретической сборки двух типов клеток поверх химических узоров. Изображение: Аквариум Берча/Институт океанографии им. Скриппса; Сиамак Мирфендерески и Анкур Гупта /Калифорнийский университет в Боулдере
В качестве теста Гупта использовал фиолетово-черный шестиугольный узор, который можно увидеть на декоративной самшитовой рыбе, ярком виде, обитающем у берегов Австралии. Он обнаружил, что диффузиофероз может генерировать узоры с более четкими очертаниями, чем в оригинальной модели Тьюринга, но эти результаты были слишком идеальными. Все шестиугольники были одинакового размера и формы и имели одинаковые промежутки между собой. В природе не существует идеальных узоров. Например, черные полосы у зебры различаются по толщине, в то время как шестиугольники у самшита никогда не бывают идеально однородными. Поэтому Гупта и его команда попытались уточнить свою теорию диффузиофероза.
“Несовершенства есть везде в природе”, — говорится в заявлении Гупты. “Мы предложили простую идею, которая может объяснить, как клетки собираются, создавая эти вариации”.
Как шарики в трубочке
В исследовании опубликованный сегодня в журнале Matter отчет Гупты и его команды подробно описывает, как им удалось имитировать несовершенные узоры и текстуру. После определения размеров отдельных клеток и последующего моделирования того, как каждая из них перемещалась через ткань, результаты моделирования стали менее однородными.
Это похоже на то, как шарики разного размера перемещаются по трубке. Более крупные из них, такие как баскетбольный шар или шар для боулинга, будут создавать более плотные контуры, чем мячи для гольфа или пинг-понга. То же самое и с ячейками – когда крупные ячейки собираются вместе, они образуют более широкие узоры. Если одинаковые шарики, движущиеся по трубе, столкнутся друг с другом и закупорят ее, образуется непрерывная линия. Когда в ячейках возникает такая же пробка, в результате на полосах образуются разрывы. Смесь двух типов клеток, продуцирующих пигмент, подвергается диффузиофоретическому переносу, чтобы самостоятельно собраться в гексагональную структуру. АВТОР: Сиамак Мирфендерески (Siamak Mirfendereski) и Анкур Гупта (Ankur Gupta)/CU Boulder
“Мы можем отразить эти дефекты и текстуры, просто задав размер этим ячейкам”, — сказал Гупта.
Их новое моделирование показало разрывы и зернистые текстуры, которые больше похожи на те, что встречаются в природе.
Почему это важно
В будущем, команда планирует использовать более сложные взаимодействия между клетками и фоновыми химическими агентами для повышения точности моделирования.
Понимание того, как собираются клетки, создающие узор, может помочь инженерам разрабатывать материалы, которые могут менять цвет в зависимости от окружающей среды. так, как это делает кожа хамелеона. Это также может помочь в разработке более эффективных подходов к доставке лекарств к определенной части тела.
“Мы черпаем вдохновение из несовершенной красоты природных систем и надеемся использовать эти недостатки для создания новых функциональных возможностей в будущем”, — сказал Гупта.
Другие статьи: