Как на самом деле у животных появляются «совершенно несовершенные» пятна и полосы?
Пятна и полосы выполняют множество функций в природе, но механизм их образования до сих пор оставался для учёных загадкой. Теперь исследователи продвинули свою прорывную теорию, которая может помочь нам создавать материалы, способные реагировать на окружающую среду и менять цвет по мере необходимости.
Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере (UC Boulder) преодолели разрыв между математикой и биологией, перейдя от аккуратного физического моделирования своей теории животных узоров к чему-то, что объясняет, как эти четкие, но несовершенные узоры на самом деле возникают в природе.
«В природе повсюду несовершенства», — сказал ведущий исследователь Анкур Гупта с кафедры химической и биологической инженерии Калифорнийского университета в Боулдере. «Мы предложили простую идею, которая может объяснить, как клетки объединяются, создавая эти вариации».
В 2023 году учёные разработали теорию формирования узоров у животных. Это исследование стало, прежде всего, теоретическим и вычислительным прорывом, поскольку использовало модель реакции-диффузии Алана Тьюринга 1950-х годов, которая математически объясняет, как химические вещества, реагируя и диффундируя, могут создавать узоры, и добавило новый физический процесс, называемый диффузиофорезом, при котором частицы или клетки «перемещаются» градиентами концентрации.
Диффузиофорез позволяет получить чёткие контуры (как у тропических рыб или змей), а не размытые линии, предсказываемые исключительно уравнениями Тьюринга. Но модель 2023 года, по сути, представляла собой физическую симуляцию — она не учитывала, как ведут себя и взаимодействуют реальные живые ткани или пигментные клетки, или почему естественные узоры не являются идеально регулярными.
Прошло два года, и исследователи разработали свою модель, которая лучше отражает формирование реальных узоров. Первоначальные результаты показали, что формы были немного слишком идеальными, что нечасто встречается в природе.
Усовершенствуя свою модель диффузиофероз, исследователи задали отдельные клетки определённым размерам, а затем смоделировали, как каждая из них перемещается по ткани. Эти симуляции начали создавать несовершенные паттерны, которые лучше отражают реальный мир.
По сути, новая работа использует эту физическую модель диффузиофероз и добавляет биологические ограничения. Например, пигментные клетки (например, хроматофоры, наблюдаемые у головоногих моллюсков) не остаются неподвижными — они движутся, делятся и реагируют на градиенты. Она также моделирует нерегулярную физиологию, поскольку реальные тела животных не являются плоскими листами, и каждая кривизна и складка влияют на формирование химических градиентов и на то, как однородный рисунок может перейти в асимметрию. Совокупность физических процессов — клеточная диффузия, дрейф и движение — приводит к небольшим отклонениям, или «красивым несовершенствам», о которых исследователи говорят в своей статье.
«Мы можем уловить эти недостатки и текстуры, просто задав этим ячейкам размер», — сказал Гупта.
Новейшее компьютерное моделирование предлагает новое объяснение того, почему природные узоры одновременно упорядочены и прекрасно несовершенны, а полученные результаты могут изменить взгляд ученых на биологическую структуру и даже вдохновить на создание будущих биоматериалов и интеллектуальных конструкций поверхностей.
Теперь исследователи надеются включить более сложные взаимодействия между клетками и химическими агентами для улучшения моделирования.
«Мы черпаем вдохновение в несовершенной красоте природной системы и надеемся использовать эти несовершенства для создания новых видов функциональности в будущем», — добавил Гупта.
Исследователи из Университета Колорадо в Боулдере (UC Boulder) преодолели разрыв между математикой и биологией, перейдя от аккуратного физического моделирования своей теории животных узоров к чему-то, что объясняет, как эти четкие, но несовершенные узоры на самом деле возникают в природе.
«В природе повсюду несовершенства», — сказал ведущий исследователь Анкур Гупта с кафедры химической и биологической инженерии Калифорнийского университета в Боулдере. «Мы предложили простую идею, которая может объяснить, как клетки объединяются, создавая эти вариации».
В 2023 году учёные разработали теорию формирования узоров у животных. Это исследование стало, прежде всего, теоретическим и вычислительным прорывом, поскольку использовало модель реакции-диффузии Алана Тьюринга 1950-х годов, которая математически объясняет, как химические вещества, реагируя и диффундируя, могут создавать узоры, и добавило новый физический процесс, называемый диффузиофорезом, при котором частицы или клетки «перемещаются» градиентами концентрации.
Диффузиофорез позволяет получить чёткие контуры (как у тропических рыб или змей), а не размытые линии, предсказываемые исключительно уравнениями Тьюринга. Но модель 2023 года, по сути, представляла собой физическую симуляцию — она не учитывала, как ведут себя и взаимодействуют реальные живые ткани или пигментные клетки, или почему естественные узоры не являются идеально регулярными.
Прошло два года, и исследователи разработали свою модель, которая лучше отражает формирование реальных узоров. Первоначальные результаты показали, что формы были немного слишком идеальными, что нечасто встречается в природе.
Усовершенствуя свою модель диффузиофероз, исследователи задали отдельные клетки определённым размерам, а затем смоделировали, как каждая из них перемещается по ткани. Эти симуляции начали создавать несовершенные паттерны, которые лучше отражают реальный мир.
По сути, новая работа использует эту физическую модель диффузиофероз и добавляет биологические ограничения. Например, пигментные клетки (например, хроматофоры, наблюдаемые у головоногих моллюсков) не остаются неподвижными — они движутся, делятся и реагируют на градиенты. Она также моделирует нерегулярную физиологию, поскольку реальные тела животных не являются плоскими листами, и каждая кривизна и складка влияют на формирование химических градиентов и на то, как однородный рисунок может перейти в асимметрию. Совокупность физических процессов — клеточная диффузия, дрейф и движение — приводит к небольшим отклонениям, или «красивым несовершенствам», о которых исследователи говорят в своей статье.
«Мы можем уловить эти недостатки и текстуры, просто задав этим ячейкам размер», — сказал Гупта.
Новейшее компьютерное моделирование предлагает новое объяснение того, почему природные узоры одновременно упорядочены и прекрасно несовершенны, а полученные результаты могут изменить взгляд ученых на биологическую структуру и даже вдохновить на создание будущих биоматериалов и интеллектуальных конструкций поверхностей.
Теперь исследователи надеются включить более сложные взаимодействия между клетками и химическими агентами для улучшения моделирования.
«Мы черпаем вдохновение в несовершенной красоте природной системы и надеемся использовать эти несовершенства для создания новых видов функциональности в будущем», — добавил Гупта.
