Как физика рисует узоры на животных

Полосы тигра, пятна жирафа, шестиугольники коробчатой рыбы — все эти узоры на коже или шерсти животных завораживают своей красотой и разнообразием. Однако они не только украшают животных, но и выполняют разные функции, например, помогают замаскироваться от хищников или привлечь внимание партнеров. Но как эти узоры возникают и формируются? Какие гены и механизмы отвечают за их создание?

Долгое время ученые пытались найти ответ на этот вопрос, изучая генетику и эволюцию животных. Однако гены не могут объяснить все детали и особенности узоров. Например, почему у зебры полосы, а у лошади нет? Почему у коробчатой рыбы такие четкие и сложные шестиугольные узоры? Почему у некоторых животных узоры меняются с возрастом или окружением?

Недавно группа исследователей из Университета Колорадо в Боулдере предложила новую теорию, которая может помочь разгадать эту загадку. Они утверждают, что за формирование узоров отвечает не только генетика, но и физика. А именно, процесс, называемый диффузиофорезом. Это явление, когда молекула в жидкости движется под влиянием изменения концентрации других молекул. Это также приводит к тому, что другие молекулы ускоряются. Мы можем наблюдать этот процесс, когда мы стираем белье. Без диффузиофореза мыло не могло бы вытягивать грязь из ткани.

Исследователи проверили свою теорию на примере коробчатой рыбы, которая имеет очень четкий и сложный узор из фиолетовых и черных шестиугольников. Они использовали математическую модель, разработанную Аланом Тьюрингом в 1950-х годах. Тьюринг был одним из первых, кто предположил, что узоры на животных могут быть результатом химической реакции и диффузии. Он представил, что в развивающихся тканях появляются специальные химические вещества, которые распространяются по ткани. Некоторые из этих веществ активируют образование пигмента, создавая пятна. Другие же подавляют эту активность, создавая пространство между пятнами.

Однако модель Тьюринга не может дать ответ на то, почему узоры имеют такую четкость и регулярность. Когда мы смешиваем молоко и кофе, они перемешиваются с размытыми границами. Когда же исследователь Алессио посетил аквариум в Сан-Диего, он был поражен тем, как резко выделяются узоры коробчатой рыбы: фиолетовая точка, окруженная желтым шестиугольником с толстой черной полосой между ними.

Исследователи предположили, что когда химические вещества диффундируют по ткани, как описал Тьюринг, они также влияют на движение клеток, которые производят пигмент, через диффузиофорез. Эти клетки собираются в определенных местах, формируя пятна и полосы с более четкими границами.

Это открытие может иметь большое значение не только для понимания происхождения узоров на животных, но и для других биологических процессов, связанных с развитием и регенерацией тканей, таких как рост волос, образование зубов и восстановление органов. Кроме того, это может способствовать созданию новых материалов с желаемыми свойствами с помощью физических и химических принципов.