Шедевры природы: как химия и клетки формируют узоры на шкурах, полные красоты и несовершенства

Природа не перестает удивлять своими удивительными и сложными узорами, которые можно встретить на коже многих животных. Полосы зебры, пятна леопарда или даже необычные узоры на шкуре рыб — все эти текстуры не только красивы, но и представляют собой математические загадки. Как возникли эти узоры? Ответ на этот вопрос искали ученые и математики, и, кажется, они на шаг приблизились к разгадке. Об этом сообщает издание popsci.com.

Головоломка природы

В 1952 году британский математик Алан Тьюринг выдвинул гипотезу, которая стала основой для множества исследований в этой области. Согласно его теории, процесс формирования узоров на коже животных начинается с того, что ткани организма вырабатывают химические вещества, которые начинают распространяться, подобно тому как молоко растворяется в черном кофе. Эти химические вещества активируют клетки, производящие пигмент, и таким образом формируют пятна или полосы. Другие же вещества, наоборот, останавливают работу клеток, создавая промежутки между ними. Однако, несмотря на это, попытки создать моделирование с использованием теории Тьюринга приводили к размытым, неточным результатам, которые не отражали естественные узоры, встречающиеся в природе.

И вот в 2023 году команда ученых во главе с химическим инженером из Университета Колорадо в Боулдере, Анкуром Гуптой, предложила улучшенную версию теории Тьюринга. Они добавили новый механизм, который они назвали диффузиоферозом. Этот процесс описывает, как частицы, перемещаясь по ткани, тянут за собой другие, что напоминает процесс стирки грязной одежды. Когда моющее средство вымывает грязь, оно оттягивает её от ткани, создавая таким образом узоры.

Диффузиофероз и его роль в формировании узоров

Для проверки новой теории Гупта и его коллеги использовали в качестве примера сложный узор, который можно наблюдать на шкуре рыб-коробочек — удивительных морских существ, обитающих у побережья Австралии. На их коже можно увидеть шестиугольные, пурпурно-черные узоры, которые стали отправной точкой для создания новых моделей. С помощью диффузиофероза ученым удалось создать узоры с более четкими контурами, чем те, что были получены по теории Тьюринга. Однако эти узоры выглядели слишком идеальными, что сильно отличало их от реальных природных текстур.

Как и в случае с полосами зебры, шестиугольники на коже рыбы-коробочки имеют различные размеры и промежутки между ними. Это привело ученых к мысли, что, несмотря на успех в создании четких узоров, они не могут быть полностью одинаковыми, как это происходило в эксперименте. Гупта подчеркивает: "Несовершенства есть везде в природе". Поэтому было принято решение развить эту идею дальше, чтобы отразить все вариации, которые можно увидеть в реальной жизни.

Разнообразие клеток и их влияние на узоры

Для того, чтобы моделирование стало более точным, исследовательская группа предложила изменить подход, присвоив клеткам разные размеры. Это позволило создать более разнообразные текстуры, которые можно было бы сравнить с теми, что встречаются в природе. Например, когда клетки большего размера группируются, они создают более широкие и заметные полосы или пятна. Это можно объяснить аналогией с движением мячей разных размеров по трубе: большие мячи, такие как баскетбольные, создают более толстые контуры, а маленькие — более тонкие.

Однако в процессе моделирования возникали и так называемые "разрывы" — когда части клеток сталкивались, они прерывали непрерывность узора. Это был важный момент, который приближает результаты моделирования к тем природным узорам, которые нельзя назвать идеально симметричными.

"Мы можем уловить эти дефекты и текстуры, просто придав этим клеткам размер", — объясняет Гупта.

Влияние на будущее науки и технологий

Этот новый подход к пониманию формирования узоров может оказать влияние не только на биологию, но и на разработки в других областях. Например, изучение того, как клетки и химические вещества взаимодействуют между собой, может помочь ученым создавать материалы, которые способны изменять свой цвет в зависимости от окружающей среды, подобно тому как это делает кожа хамелеона. Кроме того, такие исследования могут быть полезны в медицине, например, для создания новых методов доставки лекарств в определенные части тела, что повысит эффективность терапии.

"Мы черпаем вдохновение в несовершенной красоте природной системы и надеемся использовать эти недостатки для новых видов функциональности в будущем", — утверждает Гупта.

Его команда продолжит работать над усовершенствованием моделей, чтобы они стали более точными и могли служить основой для новых научных открытий.

В дальнейшем ученые намерены использовать более сложные взаимодействия клеток и химических агентов, что поможет создать более точные модели узоров и текстур, наблюдаемых в природе. Эти исследования открывают новые горизонты как для теоретической биологии, так и для практического применения в различных областях науки и техники.