Wzory na skórze zwierząt, takie jak pasy zebry czy barwne plamy trujących żab, pełnią różne funkcje biologiczne – od regulacji temperatury, przez maskowanie, aż po sygnały ostrzegawcze. Ostatnie badania opublikowane w Science Advances przedstawiają potencjalny mechanizm, który może wyjaśniać, jak te wyraźne wzory się formują. Mechanizm ten może znaleźć zastosowanie w diagnostyce medycznej oraz tworzeniu syntetycznych materiałów.

W badaniach podjęto próbę zrozumienia, jak mogą powstawać wyraźne wzory kolorystyczne w obecności dyfuzji – procesu, który z natury prowadzi do wyrównywania stężeń barwników, co widoczne jest na przykładzie rozprzestrzeniania się kropli barwnika w wodzie.

Alan Turing jako pierwszy zajął się tym zagadnieniem w 1952 roku, pokazując, że reakcje chemiczne mogą współdziałać w taki sposób, aby przeciwdziałać dyfuzji i tworzyć wzory, które nazwano później wzorami Turinga. Jednak modele matematyczne tworzą nieostre granice między kolorami, podczas gdy w przyrodzie granice te są często wyraźne.

Laboratoryjne eksperymenty na mikronowych cząstkach, takich jak komórki odpowiedzialne za produkcję barwników skóry, wykazały, że tworzą one pasmowe struktury, gdy znajdują się między obszarami o różnym stężeniu rozpuszczalników. Proces ten, nazywany diffusiophoresis, obserwowany jest także podczas prania, gdy cząsteczki brudu są odpychane od tkaniny przez dyfundujące cząsteczki mydła.

Komputerowe symulacje wzorów Turinga wykazały, że diffusiophoresis może znacznie wzmocnić charakterystykę wzorów. Symulacje te były w stanie odtworzyć skomplikowane wzory na skórze ozdobnej ryby pudełkowej i węgorza klejnotowego, co wcześniej nie było możliwe tylko za pomocą teorii Turinga.

Dodatkowe wsparcie dla hipotezy stanowi zdolność modelu do reprodukcji wyników badania nad ruchem ładunków molekularnych przez bakterie E. coli, gdzie diffusiophoresis doprowadził do ostrzejszych wzorców ruchu.

Odkrycia te sugerują, że diffusiophoresis może odgrywać kluczową rolę w tworzeniu wyraźnych wzorów kolorystycznych w naturze. Zrozumienie tego procesu może pomóc w projektowaniu syntetycznych systemów, które wykonują podobne funkcje.

W przyszłości, połączenie warunków tworzenia wzorów Turinga z diffusiophoresis może prowadzić do tworzenia sztucznych plastrów skórnych, które wykrywają zmiany w stężeniach chemicznych, służąc do diagnozowania stanów medycznych i monitorowania zdrowia pacjenta.

Należy jednak zaznaczyć, że symulacje skupiały się wyłącznie na cząstkach sferycznych, a komórki tworzące pigmenty mają różne kształty. Ponadto, ruch komórek w biologicznym środowisku może wpływać na wzorce kolorystyczne. Dlatego potrzebne są dalsze badania, by zrozumieć te procesy w pełni.

Wzory Turinga odgrywają ważną rolę w innych procesach biologicznych, takich jak rozwój embrionalny czy powstawanie guzów. Praca nad zrozumieniem diffusiophoresis może mieć znaczenie dla tych naturalnych procesów i przyczynić się do postępu w nauce i medycynie.

Źródło: Science Alert